專利名稱：結(jié)合靜態(tài)編譯器和動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)優(yōu)化運(yùn)行頻率的節(jié)能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于嵌入式系統(tǒng)軟件節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種結(jié)合靜態(tài)編譯器和動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)優(yōu)化處理器和主存運(yùn)行頻率的節(jié)能方法。
背景技術(shù)：
2005年世界半導(dǎo)體業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定增長將帶動(dòng)全球電子信息產(chǎn)品市場的進(jìn)一步發(fā)展，通信、消費(fèi)類電子及汽車電子領(lǐng)域?qū)⒊蔀橄葘?dǎo)。3G手機(jī)的視頻多媒體等各種新應(yīng)用對傳統(tǒng)的電池壽命和電源管理技術(shù)提出了更高的要求和更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而且，隨著中國汽車業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車電子中的電源技術(shù)問題同樣迫使工程師們拿出更好的解決方案。高工作頻率、高效率、高功率密度、高可靠性、小體積和低成本等是今后模塊電源和便攜式電源管理產(chǎn)品的發(fā)展方向。同時(shí)，業(yè)界也在期待各種高新技術(shù)，包括高頻開關(guān)技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、同步整流技術(shù)、智能化技術(shù)、表面貼裝技術(shù)的進(jìn)一步突破。所以，任何設(shè)備基于其自身的特有本質(zhì)以及市場對其的更高需要都已經(jīng)對電源技術(shù)提出更高的要求。
隨著人們生活水平的不斷提高，便攜式設(shè)備的發(fā)展將會越來越快。便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備市場是最近幾年才成長起來的，特別是手機(jī)市場突飛猛進(jìn)的發(fā)展速度，更使很多的廠商們趨之若鶩。隨著用戶需求不斷增加，智能手機(jī)、便攜設(shè)備中新增加的音視頻、數(shù)據(jù)輸入、無線連接等功能將對電源管理形成新的需求。便攜式產(chǎn)品日益豐富的功能給電源管理IC帶來越來越多的挑戰(zhàn)。未來電源管理將向高集成度、開關(guān)、SOC發(fā)展，電源管理IC的發(fā)展是集設(shè)計(jì)、工藝、封裝為一體的綜合發(fā)展體系，需要考慮多方面的因素。很難有一個(gè)萬全的解決方案。例如在無線便攜式產(chǎn)品中，就要權(quán)衡開關(guān)頻率的提升和效率的關(guān)系，也要考慮電源噪聲對射頻的干擾。
在便攜式嵌入式設(shè)備電源管理領(lǐng)域，目前的困難在于既要滿足便攜式終端對電源供電的要求，又要做到占用空間小、重量輕和供電時(shí)間更長?，F(xiàn)在嵌入式設(shè)備的功能變得越來越強(qiáng)大，功能也越來越豐富。隨著嵌入式設(shè)備功能越來越多，用戶對嵌入式設(shè)備電池的能量需求也越來越高，現(xiàn)有的鋰離子電池已經(jīng)越來越難以滿足消費(fèi)者對正常使用時(shí)間的要求。對此，業(yè)界主要采取兩種方法，一是開發(fā)具備更高能量密度的新型電池技術(shù)，如燃料電池，在能夠預(yù)見的5年內(nèi)，電池技術(shù)不可能有很大的突破；二是在電池的能量轉(zhuǎn)換效率和節(jié)能方面下功夫。在目前新的高能電池技術(shù)(如燃料電池)仍不成熟的情況下，下一代手持設(shè)備的電源管理只能從提高電源利用率和降低功耗這二個(gè)方面著手。如何延長電池的使用壽命，以及盡量減少電池能量的消耗已經(jīng)成為嵌入式領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
在操作系統(tǒng)領(lǐng)域，現(xiàn)在主要的電源管理方法是利用操作系統(tǒng)內(nèi)核，動(dòng)態(tài)的調(diào)整系統(tǒng)處理器和總線的頻率，降低系統(tǒng)的整體能耗。而且系統(tǒng)能夠通過動(dòng)態(tài)頻率指令改變系統(tǒng)狀態(tài)，是系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能的目的。
操作系統(tǒng)能夠很好的管理整個(gè)系統(tǒng)的能耗，但是對特定的應(yīng)用不了解，不能針對特定的應(yīng)用采用貼切的方法節(jié)能，在特定的運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)做出比較好的系統(tǒng)資源調(diào)度，缺少對運(yùn)行系統(tǒng)的快速反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)合靜態(tài)編譯器和動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)優(yōu)化運(yùn)行頻率的節(jié)能方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下1)靜態(tài)編譯器劃分代碼段靜態(tài)編譯器將代碼段劃分為三個(gè)相關(guān)代碼段，分別為運(yùn)行初始化代碼段，動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段以及運(yùn)行結(jié)束代碼段。運(yùn)行初始化代碼段是為動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段以及運(yùn)行結(jié)束代碼段的運(yùn)行做準(zhǔn)備的；在動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中操作系統(tǒng)將根據(jù)處理器和主存的關(guān)系對處理器和主存的頻率做出優(yōu)化，優(yōu)化系統(tǒng)能耗，能夠?qū)⑦@個(gè)代碼段中的指令分為處理器相關(guān)指令和主存相關(guān)指令，而劃分得到這個(gè)代碼段的要求是兩種相關(guān)指令是能夠同時(shí)運(yùn)行的；在運(yùn)行結(jié)束代碼段中的執(zhí)行指令是必須依賴動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段的執(zhí)行結(jié)果才能運(yùn)行的；2)得到最有處理器和主存運(yùn)行頻率因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中的處理器相關(guān)指令和主存相關(guān)指令能夠同時(shí)運(yùn)行，而兩種相關(guān)指令的運(yùn)行時(shí)間肯定存在或多或少的差別，由于時(shí)間差的存在，操作系統(tǒng)能夠降低執(zhí)行時(shí)間比較短的系統(tǒng)部件包括處理器或主存的執(zhí)行頻率，也能夠?qū)⒏淖兒蟮念l率稱為目的頻率，執(zhí)行頻率降低的同時(shí)也伴隨著電壓的降低，同時(shí)還能考慮升高執(zhí)行時(shí)間比較長的系統(tǒng)部件的執(zhí)行頻率，達(dá)到更好的節(jié)能效果。而且處理器和主存所能提供的頻率變化有限，對應(yīng)于每種頻率的能耗亦能夠推斷出來，在能夠節(jié)能的情況下，根據(jù)處理器和主存頻率的關(guān)系，改變兩者或其中一個(gè)的頻率；
3)使動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段運(yùn)行在優(yōu)化的處理器和主存頻率上在動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段運(yùn)行之前，改變處理器和主存頻率，使其運(yùn)行在目的頻率之上，在這段代碼段相關(guān)指令執(zhí)行完后重新回到初始頻率。頻率改變是通過對控制處理器和主存頻率的寄存器的相關(guān)設(shè)置，不需要通過調(diào)用中間過程，這種方法更直接，更實(shí)效，在調(diào)節(jié)完頻率后便能夠馬上看到調(diào)頻結(jié)果。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是本發(fā)明利用靜態(tài)編譯器對代碼段的劃分，在動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段運(yùn)行過程中，通過動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)對處理器和主存的執(zhí)行頻率進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，綜合考慮兩者的能耗，使動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段運(yùn)行在更有利于系統(tǒng)節(jié)能的目的頻率上。本發(fā)明能夠用于任何提供了處理器和主存頻率調(diào)節(jié)支持的系統(tǒng)上。在目前的大多出系統(tǒng)中，能耗最大的系統(tǒng)部件除了處理器便是主存，在這種情況下，有必要結(jié)合考慮處理器和主存特性，共同調(diào)節(jié)處理器和主存頻率，以達(dá)到更加良好的能耗控制結(jié)果。
(1)全面性。在目前的大多出系統(tǒng)中，能耗最大的系統(tǒng)部件除了處理器便是主存，在這種情況下，有必要結(jié)合考慮處理器和主存特性，共同調(diào)節(jié)處理器和主存頻率，以達(dá)到更加良好的能耗控制結(jié)果。本方法正是考慮到這個(gè)原因，所以同時(shí)考慮了處理器和貯存兩者的能耗。
(2)安全性。本方法通過靜態(tài)編譯器將代碼段劃分為三個(gè)相關(guān)代碼段，分別為運(yùn)行初始化代碼段，動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段以及運(yùn)行結(jié)束代碼段。在動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段運(yùn)行前通過動(dòng)態(tài)調(diào)頻方法調(diào)節(jié)處理器和主存頻率。保護(hù)其余代碼段的順利執(zhí)行，有利于代碼的安全性。
(3)即時(shí)性。頻率改變是通過對控制處理器和主存頻率的寄存器的相關(guān)設(shè)置，不需要通過調(diào)用中間過程，這種方法更直接，更實(shí)效，在調(diào)節(jié)完頻率后便能夠馬上看到調(diào)頻結(jié)果。在經(jīng)過反復(fù)的認(rèn)證，這個(gè)方法能夠很好的到達(dá)動(dòng)態(tài)調(diào)頻的結(jié)果，達(dá)到節(jié)能的目的。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)流程圖；圖2是動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中處理器相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間大大長于主存相關(guān)指令的情況；圖3是動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中主存相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間大大長于處理器相關(guān)指令的情況；圖4是本發(fā)明的流程圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
是靜態(tài)編譯器將代碼段劃分為三個(gè)相關(guān)代碼段，分別為運(yùn)行初始化代碼段，動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段以及運(yùn)行結(jié)束代碼段。運(yùn)行初始化代碼段是為以下的代碼運(yùn)行做準(zhǔn)備的；在動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中操作系統(tǒng)將根據(jù)處理器和主存的關(guān)系對處理器和主存的頻率做出優(yōu)化，優(yōu)化系統(tǒng)能耗，能夠?qū)⑦@個(gè)代碼段中的指令分為處理器相關(guān)指令和主存相關(guān)指令，而劃分得到這個(gè)代碼段的要求是兩種相關(guān)指令是能夠同時(shí)運(yùn)行的；在運(yùn)行結(jié)束代碼段中的執(zhí)行指令是必須依賴動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段的執(zhí)行結(jié)果才能運(yùn)行。本方法關(guān)注的是動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段，在此代碼段中使用動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)。如圖1所示。
動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中的運(yùn)行情況能夠分為兩種，主存相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間大于處理器相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間，如圖2所示，以及處理器相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間大于主存相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間，如圖3所示。在圖中，tprepare表示初始化代碼段的執(zhí)行時(shí)間，tmem表示初始化代碼段中主存相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間，tindep表示初始化代碼段處理器相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間，tdep表示運(yùn)行結(jié)束代碼段指令執(zhí)行時(shí)間。tdvfs表示動(dòng)態(tài)調(diào)頻時(shí)間段，t′mem表示調(diào)頻后初始化代碼段中主存相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間，t′indep表示調(diào)頻后初始化代碼段處理器相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間。
第二步，因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中的處理器相關(guān)指令和主存相關(guān)指令能夠同時(shí)運(yùn)行，而兩種相關(guān)指令的運(yùn)行時(shí)間肯定存在或多或少的差別，也就是tmem和tindep的不同，由于時(shí)間差的存在，操作系統(tǒng)能夠降低執(zhí)行時(shí)間比較短的系統(tǒng)部件(處理器或主存)的執(zhí)行頻率(也能夠?qū)⒏淖兒蟮念l率稱為目的頻率)，執(zhí)行頻率降低的同時(shí)也伴隨著電壓的降低，同時(shí)還能夠考慮升高執(zhí)行時(shí)間比較長的系統(tǒng)部件的執(zhí)行頻率，達(dá)到更好的節(jié)能效果。而且處理器和主存所能提供的頻率變化有限，對應(yīng)于每種頻率的能耗亦能夠推斷出來，在能夠節(jié)能的情況下，根據(jù)處理器和主存頻率的關(guān)系，改變兩者或其中一個(gè)的頻率。如圖2的情況中，由于主存相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間大于處理器相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間，即tmem＞tindep，操作系統(tǒng)在時(shí)間段tdvfs內(nèi)，能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)頻算法，考慮提高主存頻率和降低處理器頻率，達(dá)到一個(gè)折中值，來加大對能耗的控制；而圖3中的情況恰好相反，由于處理器相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間大于主存相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間，即tindep＞tmem，操作系統(tǒng)在時(shí)間段tdvfs內(nèi)，能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)頻算法，考慮降低主存頻率和提高處理器頻率，達(dá)到一個(gè)折中值，來加大對能耗的控制。整個(gè)系統(tǒng)的流程如圖4所示。操作系統(tǒng)根據(jù)能耗計(jì)算公式，計(jì)算出系統(tǒng)在硬件所能提供的處理器和主存頻率對的組合下所有的系統(tǒng)能耗，在代碼執(zhí)行時(shí)間不會改變太大的前提下(方法約定系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間變更不可超過15％，由于代碼執(zhí)行時(shí)間跟處理器頻率成反比，由此能夠得到處理器的目的頻率范圍)，得到最優(yōu)的處理器頻率和主存頻率。
第三步，在動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段運(yùn)行之前，改變處理器和主存頻率，使其運(yùn)行在目的頻率之上，在這段代碼段相關(guān)指令執(zhí)行完后重新回到初始頻率。頻率改變是通過對控制處理器和主存頻率的寄存器的相關(guān)設(shè)置，不需要通過調(diào)用中間過程，這種方法更直接，更實(shí)效，在調(diào)節(jié)完頻率后便能夠馬上看到調(diào)頻結(jié)果。操作系統(tǒng)按照如下步驟設(shè)置目的頻率，根據(jù)前面得到的目的頻率，計(jì)算出各寄存器所要修改的目的值，然后直接對操作系統(tǒng)內(nèi)控制處理器和主存頻率的寄存器進(jìn)行配置，最后使處理器和主存的目的頻率生效。操作系統(tǒng)是通過地址來直接修改寄存器的，所以在通過地址來對寄存器操作的時(shí)候，需要注意實(shí)地址和虛地址的轉(zhuǎn)換，根據(jù)內(nèi)核版本和處理器的不同會有不同的轉(zhuǎn)換方式。
在這里，以使用英特爾公司的PXA255處理器的開發(fā)平臺為例，上面的操作系統(tǒng)為Linux，內(nèi)核版本為2.4.10。此開發(fā)平臺提供了對處理器和主存的調(diào)頻支持。處理器和主存的頻率控制由寄存器CCCR控制，直接對系統(tǒng)內(nèi)控制頻率的寄存器CCCR進(jìn)行配置，修改之后再配置寄存器CCLKCFG的FCS位使內(nèi)核的頻率設(shè)置生效。通過內(nèi)部函數(shù)ioremap來實(shí)現(xiàn)實(shí)地址和虛地址的轉(zhuǎn)換。如果目前平臺上有代碼程序，通過靜態(tài)編譯器劃分后，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中，tmem＜tindep，目前處理器頻率和主存頻率都為132.7MHZ，tmem為1ms，tindep為25ms，那么操作系統(tǒng)根據(jù)本方法，如圖3所示，將降低主存頻率，而升高處理器頻率，根據(jù)平臺硬件支持，處理器頻率有298.6MHZ和398.1MHZ兩種選擇，由于處理器相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間大大大于主存時(shí)間，為主存相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間的25倍，所以操作系統(tǒng)將選擇398.1MHZ為處理器頻率，由于主存頻率只有99.5MHZ可供選擇，所以操作系統(tǒng)將選擇99.5MHZ為主存頻率，處理器和主存的頻率改變通過將CCCR對應(yīng)L，M，N三段的值改為27，2和2來達(dá)到。選擇后還是t′mem＜t′indep，t′men增加到1.5ms，t′indep下降為9ms，但兩者的時(shí)間差大大縮小，而且整體執(zhí)行時(shí)間也有減少，整個(gè)代碼段的能耗亦由原來的450MW減少為380MW。體現(xiàn)了本發(fā)明的節(jié)能效果。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)合靜態(tài)編譯器和動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)優(yōu)化運(yùn)行頻率的節(jié)能方法，其特征在于1)靜態(tài)編譯器劃分代碼段靜態(tài)編譯器將代碼段劃分為三個(gè)相關(guān)代碼段，分別為運(yùn)行初始化代碼段，動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段以及運(yùn)行結(jié)束代碼段；運(yùn)行初始化代碼段是為動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段以及運(yùn)行結(jié)束代碼段的運(yùn)行做準(zhǔn)備的；在動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中操作系統(tǒng)將根據(jù)處理器和主存的關(guān)系對處理器和主存的頻率做出優(yōu)化，優(yōu)化系統(tǒng)能耗，能夠?qū)⑦@個(gè)代碼段中的指令分為處理器相關(guān)指令和主存相關(guān)指令，而劃分得到這個(gè)代碼段的要求是兩種相關(guān)指令是能同時(shí)運(yùn)行的；在運(yùn)行結(jié)束代碼段中的執(zhí)行指令是必須依賴動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段的執(zhí)行結(jié)果才能運(yùn)行的；2)得到最有處理器和主存運(yùn)行頻率因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段中的處理器相關(guān)指令和主存相關(guān)指令能同時(shí)運(yùn)行，而兩種相關(guān)指令的運(yùn)行時(shí)間肯定存在或多或少的差別，由于時(shí)間差的存在，操作系統(tǒng)能夠降低執(zhí)行時(shí)間比較短的系統(tǒng)部件包括處理器和主存的執(zhí)行頻率，也能夠?qū)⒏淖兒蟮念l率稱為目的頻率，執(zhí)行頻率降低的同時(shí)也伴隨著電壓的降低，同時(shí)還能考慮升高執(zhí)行時(shí)間比較長的系統(tǒng)部件的執(zhí)行頻率，達(dá)到更好的節(jié)能效果。而且處理器和主存所能提供的頻率變化有限，對應(yīng)于每種頻率的能耗亦能夠推斷出來，在能夠節(jié)能的情況下，根據(jù)處理器和主存頻率的關(guān)系，改變兩者或其中一個(gè)的頻率；3)使動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段運(yùn)行在優(yōu)化的處理器和主存頻率上在動(dòng)態(tài)調(diào)頻代碼段運(yùn)行之前，改變處理器和主存頻率，使其運(yùn)行在目的頻率之上，在這段代碼段相關(guān)指令執(zhí)行完后重新回到初始頻率。頻率改變是通過對控制處理器和主存頻率的寄存器的相關(guān)設(shè)置，不需要通過調(diào)用中間過程，這種方法更直接，更實(shí)效，在調(diào)節(jié)完頻率后便能夠馬上看到調(diào)頻結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結(jié)合靜態(tài)編譯器和動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)優(yōu)化運(yùn)行頻率的節(jié)能方法。本發(fā)明采用通過靜態(tài)編譯器的劃分，將代碼段分為相關(guān)的三段，分別為運(yùn)行初始化段，動(dòng)態(tài)調(diào)頻段和運(yùn)行結(jié)束段，根據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)頻段中處理器和主存的關(guān)系，然后通過動(dòng)態(tài)頻率管理技術(shù)設(shè)置相應(yīng)處理器和主存的運(yùn)行頻率來進(jìn)行節(jié)能。本發(fā)明提出了一種結(jié)合靜態(tài)編譯器和動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù)優(yōu)化處理器和主存運(yùn)行頻率的方法，對原來的節(jié)能方法做出改進(jìn)，使得內(nèi)核對能耗控制更加全面，因?yàn)樵谀壳暗拇蠖喑鱿到y(tǒng)中，能耗最大的系統(tǒng)部件除了處理器便是主存，在這種情況下，有必要結(jié)合考慮處理器和主存特性，因此本發(fā)明的能耗控制包括處理器能耗和主存的能耗，能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)消耗的能量。
文檔編號G06F9/45GK1877490SQ20061005228
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月4日
發(fā)明者陳天洲, 錢杰, 黃江偉, 梁曉 申請人:浙江大學(xué)