基于約束的電源管理的跨越多層的框架案例介紹

在本文中，我們提供了CPM的一個(gè)概述，這是一個(gè)基于約束的電源管理（Constrained Power Management）的跨越多層的框架，我們提出了一個(gè)實(shí)際的案例應(yīng)用。這個(gè)框架涉及到一個(gè)典型的嵌入式系統(tǒng)的不同層次，從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序到應(yīng)用程序。CPM的主要目標(biāo)是：（i）總和應(yīng)用的QoS要求，及（ii）利用它們來(lái)支持有效地協(xié)調(diào)不同驅(qū)動(dòng)程序之間的本地優(yōu)化策略。這一角色由全系統(tǒng)的（system-wide）和多目標(biāo)的（multi-objective）優(yōu)化策略來(lái)支持，也可以在運(yùn)行時(shí)改變。在本文中，我們主要集中在一個(gè)實(shí)際的案例，來(lái)顯示用CPM來(lái)管理QoS要求和硬件的交叉相關(guān)性的開(kāi)銷(xiāo)非常低，這是不能直接在本地優(yōu)化策略中考慮的。

1. 引言

資源管理，進(jìn)而也包括節(jié)約能源，已成為嵌入式多媒體移動(dòng)設(shè)備（如智能手機(jī)）的一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這種設(shè)備通常是基于使用系統(tǒng)芯片（SoC）的平臺(tái)，其中嵌入了一些外圍設(shè)備，共享一些資源，并競(jìng)爭(zhēng)對(duì)資源的使用。這些具有多個(gè)處理器的嵌入式系統(tǒng)通常是由一組工作模式界定，每一個(gè)模式相應(yīng)于功率和性能的不同配置。

與此同時(shí)，現(xiàn)代消費(fèi)電子產(chǎn)品提供多種功能，包括從傳統(tǒng)的電話呼叫，到更復(fù)雜的用例，涉及網(wǎng)絡(luò)接入和音頻視頻播放。這些多種應(yīng)用場(chǎng)景通常導(dǎo)致對(duì)有限的可用資源的競(jìng)爭(zhēng)，并且還可能涉及到對(duì)底層硬件相互沖突的要求。

因此，現(xiàn)在新一代平臺(tái)的資源和電源管理，已經(jīng)成為一個(gè)越來(lái)越復(fù)雜的附加值。這就要求尋找在用戶(hù)可感知的省電和性能之間的最佳權(quán)衡。因此，值得把它當(dāng)作一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，有針對(duì)性的定義解決方案，使得很容易在不同的產(chǎn)品間移植。

鑒于這些因素，為了有效地支持整個(gè)平臺(tái)的優(yōu)化，有必要：（i）收集和聚合應(yīng)用的QoS要求，以及（ii）在一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)范圍內(nèi)的優(yōu)化策略中利用他們。這一全局性的優(yōu)化策略，我們認(rèn)為，應(yīng)該有針對(duì)性地對(duì)已經(jīng)存在的低層次和設(shè)備特定的優(yōu)化策略提供粗粒度的調(diào)整。

本文的其余部分組織如下。在下一節(jié)中，我們簡(jiǎn)要地介紹了目前最先進(jìn)的相關(guān)技術(shù)的概述。第二部分介紹我們的系統(tǒng)范圍內(nèi)的優(yōu)化框架。一個(gè)典型應(yīng)用在第三節(jié)說(shuō)明，而相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在第四節(jié)中提出。在第五部分得出結(jié)論。

A. 相關(guān)研究工作

在計(jì)算系統(tǒng)中，用以降低功耗的技術(shù)的范圍，從物理層設(shè)計(jì)到較高的軟件抽象層次[1]。具有成本效益的解決方案需要在所有的抽象層次同時(shí)解決這個(gè)問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)綜合性的辦法(holistic approaches)，從多層匯總數(shù)據(jù)進(jìn)入到PM決策，是一個(gè)熱門(mén)的研究課題。事實(shí)上，許多基于跨層次適應(yīng)（cross-layer adaptations）的方法已經(jīng)被提出[2]，[3]，[4]。不幸的是，這些方法都沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)為商業(yè)可用的產(chǎn)品。

Linux操作系統(tǒng)（OS）作為許多新一代移動(dòng)設(shè)備的共同選擇，已經(jīng)具有了不同的框架，提供了良好的支持，以將硬件的節(jié)電功能利用到單一設(shè)備（例如，CPU）或子系統(tǒng)（例如，時(shí)鐘樹(shù)）。然而，這個(gè)操作系統(tǒng)仍然缺乏一個(gè)良好的總體協(xié)調(diào)和全系統(tǒng)范圍的優(yōu)化策略。這種缺乏一直是幾個(gè)擴(kuò)展建議的主題。然而，要么是這些方法并沒(méi)有被有效地集成在Linux中[5]，[6]，要么是基于復(fù)雜的模型構(gòu)建在不同的平臺(tái)上，因此不容易移植[7]。

2. 基于約束的電源管理概述

CPM是一種用來(lái)管理整個(gè)平臺(tái)的系統(tǒng)資源和電源的方法。它允許從應(yīng)用程序收集QoS要求，以及以分布式的方式協(xié)調(diào)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，以支持所請(qǐng)求的QoS等級(jí)，相對(duì)于可以指定優(yōu)化能耗或性能的全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略。

A. 基本概念

CPM模型基于一些理論概念：

全系統(tǒng)指標(biāo)（System-Wide Metrics，SWM）是用來(lái)描述一個(gè)正在運(yùn)行的系統(tǒng)的行為參數(shù)，并代表QoS要求。他們可能是“抽象的”（ASM），或“依賴(lài)于平臺(tái)的”（PSM）。前者被暴露給用戶(hù)空間，并可以由應(yīng)用程序使用，以聲明QoS要求。而后者被定義在平臺(tái)的代碼中，并被用于跟蹤硬件的相互依存關(guān)系（interdependencies）。

設(shè)備工作區(qū)域（Device Working Regions，DWR）定義設(shè)備的操作模式和SWM之間的映射，從而也就定義每種模式下所支持的QoS級(jí)別。

可行的系統(tǒng)配置（Feasible SystemConfigurations，F(xiàn)SC）是每個(gè)設(shè)備至少一個(gè)DWR的n維交集（其中n是已定義的SWM個(gè)數(shù)）。他們確定了目標(biāo)平臺(tái)全系統(tǒng)的工作點(diǎn)，被授予一定的QoS等級(jí)。

SWM的約束（Constraintson SWMs），根據(jù)應(yīng)用程序或驅(qū)動(dòng)程序在這些參數(shù)上對(duì)QoS的要求，在運(yùn)行時(shí)定義。對(duì)同一SWM的所有QoS要求，都被使用取決于參數(shù)類(lèi)型的聚合函數(shù)（aggregation function）翻譯成約束（constraint）；該聚合函數(shù)可以是加法/減法或最小值/最大值。

優(yōu)化策略（Optimization Policy）是基于線性規(guī)劃（Linear Programming）的概念。它支持一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化（multi-objectiveoptimization）：可以考慮不同的性能參數(shù)（performanceparameters），通過(guò)分配一個(gè)權(quán)重給每個(gè)SWM來(lái)實(shí)現(xiàn)；以及能量消耗（energy consumptions），通過(guò)給每個(gè)FSC分配一個(gè)功耗度量（power consumption measure）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

B. CPM如何工作

我們可以區(qū)分三個(gè)主要階段，降低計(jì)算復(fù)雜度和提高執(zhí)行頻率：

FSC識(shí)別（FSCIdentification）：在啟動(dòng)時(shí)，所有的驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)到CPM中，暴露他們的DWR。通過(guò)執(zhí)行DWR的交集，所有FSC可以被自動(dòng)識(shí)別出來(lái)。

FSC排序（FSCordering）：每當(dāng)優(yōu)化的目標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，都根據(jù)全局優(yōu)化策略來(lái)對(duì)FSC排序。這通常發(fā)生在設(shè)備的使用情況改變時(shí)。

FSC選擇（FSCselection）：在運(yùn)行時(shí)應(yīng)用程序可以聲明對(duì)一個(gè)特定SWM的QoS要求。這些要求被聚合起來(lái)，以為每個(gè)SWM產(chǎn)生一個(gè)新的約束（constraint）。這些約束（constraint）可能會(huì)使一些FSC無(wú)效（invalidate），如果當(dāng)前FSC也被無(wú)效，那么就根據(jù)在排序階段（ordering phase）定義的順序選擇一個(gè)新的FSC。

最后，所有的驅(qū)動(dòng)程序被通知新的FSC，并需要相應(yīng)地更新其操作模式。

CPM模型已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)為L(zhǎng)inux內(nèi)核框架（版本2.6.30），并使用了一些用例測(cè)試以評(píng)估其開(kāi)銷(xiāo)。在下一節(jié)中，我們將介紹這些場(chǎng)景之一，以表明這種方法的好處。

3. 一個(gè)有意義的用例

本文描述的用例的目的，是為了展示使用CPM根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求來(lái)管理資源，同時(shí)正確地跟蹤不同的子系統(tǒng)之間的依賴(lài)關(guān)系的好處。

所考慮的平臺(tái)是由意法半導(dǎo)體（ST）生產(chǎn)的STn8815系統(tǒng)芯片，其中有一個(gè)ARM主機(jī)CPU，而多媒體業(yè)務(wù)采用一個(gè)音頻DSP（DSP A）和一個(gè)視頻DSP（DSP V）。主機(jī)CPU時(shí)鐘為CPU_CLK，兩個(gè)DSP的時(shí)鐘都為DSP_CLK。該SoC的內(nèi)部架構(gòu)強(qiáng)制嚴(yán)格的CPU_CLK和DSP_CLK之間的依賴(lài)性，如在圖1a中所示。 當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)DSP工作在某個(gè)頻率時(shí)，也被CPU也被約束到一個(gè)兼容的頻率工作。因此，必須在運(yùn)行時(shí)適時(shí)地通知有關(guān)此約束給處理器的優(yōu)化策略。

A．用例描述

現(xiàn)代智能手機(jī)的一個(gè)相當(dāng)普遍的情形是，從網(wǎng)絡(luò)上下載一些數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)播放一些音頻，視頻內(nèi)容。此情景涉及到兩個(gè)應(yīng)用程序：一個(gè)控制流內(nèi)容的下載和播放，另一個(gè)下載其他數(shù)據(jù)，例如郵件帳戶(hù)同步。這兩個(gè)應(yīng)用程序共享一個(gè)共同的資源，連接帶寬，并可能需要一個(gè)最小的QoS等級(jí)。例如，不同的視頻質(zhì)量要求不同的連接速度。

用例中所涉及的設(shè)備是一個(gè)3Gmodem，兩個(gè)DSP和一個(gè)CPU。該modem支持多種連接模式到移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)模式具有對(duì)應(yīng)的最大帶寬容量，通常也對(duì)應(yīng)于不同的能量消耗水平。音頻和視頻DSP支持不同的編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)于不同的處理工作負(fù)荷，并因此可能需要適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。該CPU被一個(gè)優(yōu)化策略（optimizationpolicy）控制，根據(jù)其過(guò)去的工作量獨(dú)立地選擇工作頻率。

B. 集成CPM

被考慮過(guò)的ASM包括：

連接帶寬（connection bandwidth）：應(yīng)用程序競(jìng)爭(zhēng)的資源。一個(gè)求和函數(shù)（additive function）被用來(lái)聚合由應(yīng)用程序聲明的總的要求，并對(duì)該資源確定一個(gè)QoS等級(jí)的約束（constrainton the QoS level）。

音頻和視頻編解碼器：有關(guān)應(yīng)用必須播放的多媒體內(nèi)容的信息，因此它直接影響到DSP的操作模式。

PSM（CLK_DSP和CPU_CLK）是特定于平臺(tái)的信息，在平臺(tái)的代碼中定義，用以跟蹤目前所描述的硬件之間的相互依存關(guān)系。最后，每個(gè)涉及的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序利用ASM來(lái)定義其自己DWR，如示于圖1b，1c和1d。

C.用例的動(dòng)態(tài)

用例開(kāi)始于用戶(hù)選擇要播放的視頻流的內(nèi)容。只要音頻和視頻數(shù)據(jù)下載開(kāi)始，播放器應(yīng)用程序就開(kāi)始收集能獲得良好的播放質(zhì)量（264千比特/秒）所需要的連接帶寬，編碼的內(nèi)容所需要的音頻編解碼器（MP3）和視頻編解碼器（H.263）等信息，并設(shè)置相應(yīng)的ASM的QoS要求。這些要求是通過(guò)對(duì)ASM bandwidth的下界值（lower bound value），以及ASM audio codec 和ASM video codec的單個(gè)值來(lái)表示的；它們由圖1b，1c和1d中的橙色約束（orange constraints）代表。

聲明這些約束就會(huì)無(wú)效當(dāng)前的FSC。因此，CPM協(xié)調(diào)選擇一個(gè)新的FSC，且將相應(yīng)的DWR通知給modem和DSP以達(dá)成分布式協(xié)定（distributed agreement）。所需的編解碼器被綁定到一個(gè)特定的DSP_CLK頻率：DSP A 設(shè)為50MHz，DSP V 設(shè)為60MHz。平臺(tái)的 DWR（圖1a）允許管理CPU_CLK的依賴(lài)，因此就被設(shè)置以支持所需的頻率。因此，CPU頻率優(yōu)化策略將可以根據(jù)所施加的約束調(diào)整處理器的頻率（>=100.8MHz）。達(dá)成協(xié)議后，候選FSC被激活，所有涉及的子系統(tǒng)遷移到新的工作模式，例如，modem從GPRS切換到EDGE1。

用例繼續(xù)下去，在播放過(guò)程中，從網(wǎng)絡(luò)上下載數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序開(kāi)始，例如，電子郵件更新應(yīng)用程序。這個(gè)新下載應(yīng)用程序聲明200 kb/s的帶寬要求。由于ASM 帶寬的聚合函數(shù)類(lèi)型為求和（additive），該聚合函數(shù)考慮所有先前聲明的要求，并累加出總和（sum）。因此，464 kbit/s就成為帶寬的新活動(dòng)約束（active constraint），因此，一個(gè)新的FSC被選中，使modem遷移到的EDGE2工作模式，以滿(mǎn)足要求。要求的聚合由圖1b中藍(lán)色約束（blue constraint）表示。

最后，視頻流播放結(jié)束，相應(yīng)的帶寬和編解碼器的要求被撤銷(xiāo)。這導(dǎo)致一個(gè)新的對(duì)帶寬的聚合，結(jié)果是在ASM帶寬上減法該值。

在這時(shí)候，只有下載應(yīng)用程序仍處于活動(dòng)狀態(tài)，從而選擇一個(gè)新的FSC并激活。

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都已更新，以提供必要的信息給CPM接口，例如其DWR的定義。修改驅(qū)動(dòng)程序代碼以支持CPM很容易，且對(duì)開(kāi)發(fā)和維護(hù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的影響也很低。例如，圖2顯示了 ASM和modem的DWR是如何在驅(qū)動(dòng)程序編碼的。

所描述的用例在修改后的平臺(tái)上已經(jīng)被執(zhí)行，代表性的結(jié)果列在下面的圖中。

A. 資源管理（Resources Management）

要求的聲明和聚合（requirementsdeclaration and aggregation）允許對(duì)已經(jīng)被使用的和仍然可用的系統(tǒng)資源保持一個(gè)正確且精確的視圖。這可以被利用來(lái)配置硬件設(shè)備的最佳可行的操作模式，用以支持對(duì)資源的需求。此方法的正效應(yīng)（positive effect）是可以實(shí)現(xiàn)的節(jié)能（energy saving），通過(guò)為每個(gè)QoS需求選擇最佳工作模式，不僅相對(duì)于一個(gè)多目標(biāo)的性能優(yōu)化策略，而且也考慮到全系統(tǒng)的功耗，可以關(guān)聯(lián)到每個(gè)FSC。

B. 跟蹤依賴(lài)性（Dependency Tracking）

CPM可以追蹤SOC的不同的子系統(tǒng)之間的硬件依賴(lài)性，（如果依賴(lài)性被破壞）可能會(huì)阻止系統(tǒng)的正確操作。不是對(duì)每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序打補(bǔ)丁，以適應(yīng)平臺(tái)，而是讓開(kāi)發(fā)人員聲明平臺(tái)DWR來(lái)解決依賴(lài)關(guān)系問(wèn)題。通過(guò)這種方式，提高了代碼的可移植性。

C.識(shí)別可行的系統(tǒng)配置（Feasible System-wide Configurations）

FSC的自動(dòng)計(jì)算可以找出整個(gè)平臺(tái)所有可行的工作點(diǎn)。這是通過(guò)利用獨(dú)立地在每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼所定義的信息。其他PM方法需要手工編程所有的工作點(diǎn)。考慮到所展示的用例中的總FSC個(gè)數(shù)高達(dá)415個(gè)，我們理解能夠自動(dòng)計(jì)算出這些點(diǎn)是多么有趣。因此，這本身就是一個(gè)有關(guān)的結(jié)果。此外，提高了在不同的平臺(tái)的可移植性，因?yàn)樵试S重用驅(qū)動(dòng)程序定義的信息。

D. 開(kāi)銷(xiāo)和時(shí)間域（Overheads and TimeDomains）

我們已經(jīng)測(cè)量了FSC的識(shí)別和選擇的算法的執(zhí)行時(shí)間，獲得的結(jié)果在圖3中。開(kāi)銷(xiāo)測(cè)量(overhead measurements)是指用例的60秒執(zhí)行，并關(guān)注最壞情況。

這個(gè)測(cè)量證明了框架的影響可以忽略不計(jì)，相比于一個(gè)不使用該框架的系統(tǒng)。事實(shí)上，對(duì)一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的具有4096個(gè)可行的配置（feasibleconfigurations）的系統(tǒng)（這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所考慮的用例的415個(gè)），識(shí)別算法只顯示了2.5％的開(kāi)銷(xiāo)。這意味著，在60秒的用例執(zhí)行期間，約1.5秒致力于框架的執(zhí)行。然而，應(yīng)當(dāng)考慮到，該算法只是在系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)運(yùn)行一次，且可以方便地由查找表替換。 實(shí)際上，尤其是在嵌入式系統(tǒng)中，最終產(chǎn)品的平臺(tái)配置一般不會(huì)改變，所有的FSC可以預(yù)先計(jì)算，然后在啟動(dòng)時(shí)加載。

雖然識(shí)別算法具有一定的復(fù)雜性，是FSC數(shù)目指數(shù)，選擇算法不僅具有一個(gè)更好的（線性）的復(fù)雜性，絕對(duì)值也是三個(gè)數(shù)量級(jí)更好。這是另一個(gè)重要結(jié)果，因?yàn)樽R(shí)別算法更頻繁地執(zhí)行，即在每次一個(gè)新要求由應(yīng)用程序聲明時(shí)。實(shí)驗(yàn)考慮了每10秒運(yùn)行一次，且測(cè)量結(jié)果表明開(kāi)銷(xiāo)確實(shí)可以忽略不計(jì)，因?yàn)槭冀K小于0.01％。

5. 結(jié)論

在本文中，我們提出了CPM，一個(gè)Linux內(nèi)核框架，應(yīng)用到一個(gè)實(shí)際的案例。所提出的方法允許一個(gè)基于SoC的平臺(tái)的不同的子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作，以開(kāi)發(fā)硬件的節(jié)電功能。 CPM從應(yīng)用程序收集和聚合QoS要求，并協(xié)調(diào)設(shè)備的工作模式的重新配置，以支持預(yù)期的QoS等級(jí)。特別是，CPM機(jī)制允許跟蹤硬件的依賴(lài)關(guān)系，并獲得正確且精確的已經(jīng)被使用的和仍然可用的系統(tǒng)資源的全貌，同時(shí)支持全局的系統(tǒng)范圍內(nèi)的QoS和能源的優(yōu)化，歸功于動(dòng)態(tài)策略的定義。

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