基于動(dòng)態(tài)電源管理的智能移動(dòng)終端低功耗方法

段林濤，郭 兵，古沐松，蘇長(zhǎng)明，汪海鷹

(1.成都大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610106;2.成都大學(xué)模式識(shí)別與智能信息處理四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610106;3.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610065)

基于動(dòng)態(tài)電源管理的智能移動(dòng)終端低功耗方法

段林濤1，2，郭 兵3，古沐松1，蘇長(zhǎng)明1，汪海鷹1

(1.成都大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610106;2.成都大學(xué)模式識(shí)別與智能信息處理四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610106;3.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610065)

軟硬件性能不斷提高的智能移動(dòng)終端在為用戶(hù)提供更加豐富服務(wù)的同時(shí)，也導(dǎo)致了電池電量消耗的增加和續(xù)航能力的降低，一些應(yīng)用和服務(wù)不得不關(guān)閉，導(dǎo)致終端可用性下降，嚴(yán)重影響用戶(hù)的使用體驗(yàn).動(dòng)態(tài)電源管理與動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)是軟件層降低終端能耗的主要技術(shù)，研究了移動(dòng)終端3大耗能組件的功耗模型以及對(duì)應(yīng)的軟件低功耗方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了軟件層低功耗方法的有效性.

智能移動(dòng)終端;低功耗技術(shù);動(dòng)態(tài)電源管理;動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)

0 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，智能移動(dòng)終端已成為當(dāng)今語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的重要載體.智能移動(dòng)終端是由多種硬件組件(處理器、儲(chǔ)存器和I/O部件)構(gòu)成的異構(gòu)環(huán)境，這些硬件組件為各類(lèi)軟件提供了高性能的硬件支撐平臺(tái).軟件驅(qū)動(dòng)硬件完成任務(wù)計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息通信，從而導(dǎo)致電池的電量消耗和系統(tǒng)能耗增加.因此，軟件是智能移動(dòng)終端能耗產(chǎn)生的間接原因，而硬件則是智能移動(dòng)終端能耗產(chǎn)生的直接原因.硬件可以分為2類(lèi):功耗不可管理組件和功耗可管理組件(Power Manageable Component，PMC).功耗不可管理組件的功耗和性能在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與執(zhí)行過(guò)程中都是不變的，而PMC是功耗狀態(tài)可以控制和管理的器件，在軟件執(zhí)行過(guò)程中存在多種工作狀態(tài)，不同狀態(tài)下硬件組件性能不同，功率也不同.一般情況下，硬件組件在高功耗狀態(tài)時(shí)具有比低功耗狀態(tài)更高的性能.PMC為軟件提供了調(diào)節(jié)硬件工作狀態(tài)的接口，為軟件層節(jié)能提供支持.

軟件層降低終端能耗的途徑主要依賴(lài)于動(dòng)態(tài)電源管理(Dynamic Power Management，DPM)與動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)2種技術(shù).DPM/DVS技術(shù)的基本思路是在不降低終端服務(wù)質(zhì)量的前提下，利用系統(tǒng)空閑時(shí)間自適應(yīng)調(diào)節(jié)硬件組件性能，進(jìn)而降低系統(tǒng)能耗.

1 主要硬件功耗模型

DPM/DVS技術(shù)可以應(yīng)用于處理器、RAM、顯示屏、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口以及傳感器等多種組件設(shè)備［1－3］.這些硬件組件在硬件設(shè)計(jì)上具有電壓/頻率可調(diào)、電源可控的特性.

1.1 CMOS電路

CMOS電路是微處理器的主要組成部分，其功耗主要由動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗組成.動(dòng)態(tài)功耗是電容式開(kāi)關(guān)在電路充放電過(guò)程中消耗的電量，其可以表示為［4］，

其中，Cl表示負(fù)載電容，α表示反轉(zhuǎn)率，Vdd表示工作電壓，f表示系統(tǒng)時(shí)鐘頻率.Vth表示閾值電壓，Vbs表示體偏置電壓.Vth1，ζ，K1，K2是依賴(lài)于處理器工藝的常量.一般情況下，ζ的取值范圍在1～2之間.

靜態(tài)功耗是由漏電流產(chǎn)生，在沒(méi)有指令執(zhí)行時(shí)仍然存在，其可以表示為［4］，

式中，Isubn表示亞閾值漏電流，Ij表示反向偏壓節(jié)電流，Lg表示電路中的組件數(shù)，K4，K5與K6為與處理器工藝相關(guān)的常量.

為了節(jié)省CMOS電路的功耗，可以降低系統(tǒng)的供電電壓.調(diào)低電壓導(dǎo)致時(shí)鐘頻率下降，處理器計(jì)算速度放慢，為了在系統(tǒng)性能和能耗2類(lèi)指標(biāo)下獲得最優(yōu)的系統(tǒng)狀態(tài)，DVS技術(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載動(dòng)態(tài)配置處理器系統(tǒng)的供電電壓和工作頻率.

1.2 OLED 顯示屏

顯示屏是現(xiàn)代智能終端重要的PMC組件.目前，針對(duì)顯示屏的低功耗研究主要集中在發(fā)射型顯示屏OLED與非發(fā)射型LCD 2種類(lèi)型上.薄膜晶體管液晶顯示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT LCD)是一種非發(fā)射型顯示屏.LCD顯示屏主要使用冷陰極熒光燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL)或者LED陣列(LED Arrays)作為背光光源.TFT LED陣列功耗比較低，背光光源是LCD顯示屏能耗產(chǎn)生的主要原因.因此，使用DPM/DVS技術(shù)關(guān)閉背光或者降低電壓調(diào)低背光亮度是LCD顯示屏節(jié)能的主要手段.

有機(jī)發(fā)光二極管顯示屏(Organic Light-Emitting Diode，OLED)是一種發(fā)射型設(shè)備.目前，OLED被廣泛使用在高分辨率筆記本顯示屏、電視、超大電子板和移動(dòng)設(shè)備之中.OLED顯示組件比非發(fā)射型顯示組件(如LCD)具有更高的能效［5］.不同于 LCD顯示屏，OLED并不需要背光光源，顯示屏上每個(gè)像素都能被獨(dú)立驅(qū)動(dòng).當(dāng)圖像顯示在OLED屏?xí)r，黑色像素點(diǎn)可以通過(guò)DPM技術(shù)關(guān)閉以節(jié)省電能，對(duì)于不重要的顯示內(nèi)容，可以通過(guò)DVS技術(shù)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)發(fā)光二極管電壓，降低顯示亮度.而對(duì)于LCD屏，顯示內(nèi)容不會(huì)影響屏幕功耗，背光在內(nèi)容顯示時(shí)都不得不打開(kāi)，這幫助OLED比LCD節(jié)省了更多的電池電量［6］.

1.3 Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口

Wi-Fi接口在連接接入點(diǎn)(Access Point，AP)時(shí)系統(tǒng)代價(jià)比較高，但是采用節(jié)電模式(Power Save Mode，PSM)維持連接狀態(tài)的系統(tǒng)成本比較低.Wi-Fi接口能耗主要由掃描Wi-Fi接入點(diǎn)能耗，維持連接能耗以及數(shù)據(jù)傳輸能耗構(gòu)成.其中，掃描接入點(diǎn)與維持連接的能耗遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)傳輸能耗.移動(dòng)終端無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口卡(Wireless Local Area Network Network Interface Card，WLAN NIC)在與AP通信時(shí)具有Active、Doze等多種工作狀態(tài).圖1顯示了WLAN NIC的功耗狀態(tài)變遷過(guò)程.

圖1 WLAN NIC功耗狀態(tài)變遷示意圖

WLAN NIC功耗狀態(tài)及其變遷滿(mǎn)足以下公式，

式中，Pdoze，Pactive分別表示NIC在Doze與Active狀態(tài)時(shí)的功耗，Tdelay，Etransition分別表示狀態(tài)切換延時(shí)和切換能耗.無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，NIC切換至Doze狀態(tài)可以節(jié)省能耗;有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，狀態(tài)切換回Active狀態(tài).DPM技術(shù)利用NIC處于的IDLE時(shí)間動(dòng)態(tài)配置NIC組件的功耗狀態(tài)，可以顯著降低WLAN接口卡的能耗.

2 軟件低功耗技術(shù)

2.1 動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

DPM是一種對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)電源管理與硬件組件功耗狀態(tài)動(dòng)態(tài)配置的低功耗技術(shù).智能終端系統(tǒng)包含多種電源可管理組件(Power Manageable Component，PMC)，當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，且PMC上無(wú)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，DPM技術(shù)通過(guò)關(guān)閉硬件模塊的電源或切換硬件模塊至較低的功耗狀態(tài)，并動(dòng)態(tài)配置PMC的工作狀態(tài)，從而減少系統(tǒng)空閑時(shí)的電量浪費(fèi).例如，用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間不使用GPS和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以將GPS、Wi-Fi或Bluetooth等無(wú)線(xiàn)接口關(guān)閉以節(jié)省電量.

2.2 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

CMOS電路的功耗是由動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗組成，而動(dòng)態(tài)功耗又包含開(kāi)關(guān)功耗和短路功耗.研究表明，CMOS電路的功耗隨著供電電壓和工作頻率的升高而增加，目前不少芯片都支持多電壓/頻率調(diào)節(jié)技術(shù).DVS技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)CMOS電路工作電壓可有效降低系統(tǒng)能耗.此外，DVS也能應(yīng)用到I/O設(shè)備上，比如，對(duì)顯示屏，可以利用DVS調(diào)節(jié)OLED二極管電壓，降低顯示屏亮度實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的.

2.3 DPM/DVS技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題

不同層級(jí)DPM/DVS軟件節(jié)能技術(shù)是以硬件組件的物理特性為基礎(chǔ).PMC組件具有多種工作狀態(tài)，每種狀態(tài)下具有不同的功率與性能.在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，DPM/DVS根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)負(fù)載、系統(tǒng)性能需求以及用戶(hù)體驗(yàn)等多種指標(biāo)動(dòng)態(tài)切換組件工作狀態(tài)，在保證系統(tǒng)性能和用戶(hù)體驗(yàn)不受影響或影響程度在可接受范圍的同時(shí)，最大程度降低系統(tǒng)功耗.但功耗的下降可能引起系統(tǒng)性能和用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量的降低，反之，性能和體驗(yàn)的提升又可能導(dǎo)致系統(tǒng)功耗的增加.因此，DPM/DVS技術(shù)需要折衷各種指標(biāo)要求獲得最佳的低功耗解決方案.假設(shè)終端PMC組件包括 k 種工作狀態(tài)，S={s1，s2，…，si，…，sk}，分別對(duì)應(yīng)k種功耗，P={p1，p2，…，pi，…，pk}.圖 2 顯示了PMC組件功耗狀態(tài)變遷過(guò)程.

圖2 PMC組件功耗狀態(tài)變遷示意圖

圖 2 中，ti→j，pi→j分別表示狀態(tài)從 si切換到 sj時(shí)，組件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換延時(shí)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換功耗.PMC狀態(tài)變遷應(yīng)滿(mǎn)足以下約束條件，

從狀態(tài)sk到s1，組件功率與性能都越來(lái)越低，相反，從狀態(tài)s1到sk組件性能提高，功率也隨之增加.并且，功率層次相距較遠(yuǎn)的2種狀態(tài)切換代價(jià)(比如，{t1→3，p1→3})比功率接近的 2 種狀態(tài)切換代價(jià)(比如，{t2→3，p2→3})更高.因此，判斷在什么時(shí)機(jī)將組件切換至哪種功耗狀態(tài)既能獲得最佳系統(tǒng)性能又能獲得最大功耗節(jié)省，是DPM/DVS組件狀態(tài)配置策略需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.目前，針對(duì)DPM/DVS技術(shù)的研究主要包括4種策略:延時(shí)策略(Timeout)，預(yù)測(cè)策略(Predictive)，隨機(jī)策略(Stochastic)和機(jī)器學(xué)習(xí)策略(Machine Learning)［7－8］.

DPM策略的系統(tǒng)模型如圖3所示.

圖3 DPM系統(tǒng)模型示意圖

服務(wù)請(qǐng)求者(Service Requester，SR)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，到達(dá)系統(tǒng)后在請(qǐng)求隊(duì)列(Requests Queue，RQ)中排隊(duì)等待.功耗管理器(Power Manager，PM)根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和約束條件，給出折衷的解決方案，選擇合適的DPM策略，并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)提供者(Service Provider，SP)，即系統(tǒng)PMC器件的功耗與性能狀態(tài)，為RQ中的請(qǐng)求任務(wù)提供服務(wù).

3 結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證軟件低功耗方法的有效性，本研究在一款A(yù)ndroid智能移動(dòng)終端Samsung Galaxy SII(GTI9108)上搭建了低功耗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于采集軟件執(zhí)行過(guò)程中的各個(gè)組件工作狀態(tài)和功耗.在軟件Temple Run執(zhí)行過(guò)程中，測(cè)量了應(yīng)用DPM/DVS策略與不應(yīng)用低功耗策略2種情況下移動(dòng)終端處理器的能耗.Temple Run是一款流行的移動(dòng)終端軟件，測(cè)試中，本實(shí)驗(yàn)從Android應(yīng)用市場(chǎng)下載該軟件并安裝到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，執(zhí)行了462 077 ms.應(yīng)用程序執(zhí)行過(guò)程中處理器的工作頻率和能耗如圖4所示.

圖4 處理器工作頻率與能耗

圖4(a)顯示了Temple Run執(zhí)行過(guò)程中通過(guò)DVS低功耗技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)CPU的工作頻率，避免了處理器長(zhǎng)時(shí)間處于高頻率狀態(tài)，既能調(diào)節(jié)處理器溫度，又能達(dá)到降低處理器功耗的目的;圖4(b)顯示了應(yīng)用DPM/DVS方法與未應(yīng)用DPM/DVS方法的CPU能耗對(duì)比.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)用軟件降低功耗方法后，CPU能耗在Temple Run執(zhí)行的462 077 ms時(shí)與未應(yīng)用低功耗方法相比，處理器能耗降低了32.8%.

4 結(jié)論

現(xiàn)代智能終端是包含多種組件的異構(gòu)環(huán)境，其中處理器、顯示屏與網(wǎng)絡(luò)接口是其3大耗能組件.本研究首先分析了智能移動(dòng)終端主要耗能硬件的功耗模型，并在此基礎(chǔ)上探討了動(dòng)態(tài)電源管理與動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)2種重要的軟件低功耗技術(shù)，并在Android智能手機(jī)上搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用DPM/DVS技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)硬件組件的功耗狀態(tài).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用軟件低功耗技術(shù)可以獲得顯著的能耗節(jié)省.

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Research of Low Power Technologies in Smart Mobile Devices Based on Dynamic Power Management

DUAN Lintao1，2，GUO Bing3，GU Musong1，SU Changming1，WANG Haiying1
(1.School of Computer Science，Chengdu University，Chengdu 610106，China;2.The Key Laboratory for Pattern Recognition and Intelligent Information Processing of Higher Education Institutes of Sichuan Province，Chengdu University，Chengdu 610106，China;3.College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

The modern smart devices with high performance components consume much more battery power and shorten the battery lifetime，although they provide richer services for the end users.Some applications and services have to be shut off.As a result，the availability of the mobile terminal is affected，which degrades the user experience.The dynamic power management and dynamic voltage scaling are two major low power technologies for the mobile devices at the software level.This paper investigates the power models of three major power components and presents the main low power technologies.The experimental results show that the two low power approaches are effective for the hardware components of smart mobile devices.

smart mobile device;low power technology;dynamic power management;dynamic voltage scaling

TN929.5;TP393.01

A

1004－5422(2015)01－0063－04

2014－12－23.

成都大學(xué)校科技發(fā)展基金(2010XJZ25，2014XJZ21)資助項(xiàng)目.

段林濤(1978—)，男，博士，講師，從事嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)研究.