嵌入式系统的低功耗研究

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随着计算机技术应用的深入,嵌入式系统正在获得越来越广泛的使用。一方面,由于嵌入式系统大量应用于电池供电的便携式设备,而电池电量有限;另一方面,为了提高嵌入式系统的性能,需要提高处理器速度,增加更多的外围设备,相应地需要增加系统的功耗。因此,高性能与电池有限电量之间的矛盾越来越突出,功耗成为了嵌入式系统重要的性能指标。为解决上述矛盾,在满足用户性能要求的前提下,降低系统功耗,尽量延长系统的使用时间成为嵌入式系统设计目标之一。低功耗设计包括硬件低功耗设计与软件低功耗设计两个方面。硬件是系统运行的物质平台,包括处理器和外围设备。硬件低功耗设计有两个层次:器件级的低层次设计主要关注减少负载电容和漏电流;系统级的高层次设计主要关注减少无用的逻辑和无用的电路活动。在上面两个层次中,后者是更为有效的方法。处理器的低功耗设计大都采用系统级,其技术主要包括:门控时钟技术,cache部分关闭技术,动态电压缩放DVS(dynamic voltage scaling)技术;外围设备低功耗设计包括:关闭设备空闲部件;在满足基本性能要求前提下,降低外围设备的服务质量。软件的低功耗设计涉及嵌入式操作系统、编译程序和应用软件等各个层次。操作系统是软件的核心,处理器调度算法、外围设备管理和功耗管理策略等部分和功耗关系密切:调度算法可实现可变电压技术,改变处理器的工作频率和电压,降低功耗;驱动程序直接控制硬件,通过增加驱动程序功能,抽象出设备的低功耗特性,供上层软件使用;操作系统中增加的功耗策略模块,提供多种功耗管理策略,应用软件根据具体的应用需求,选择最适合的管理策略。编译程序可以通过合理优化、减少冗余代码和不必要操作等方法降低功耗;同时在执行结果相同条件下,可以采用操作替换方式。低功耗应用程序能够利用与电源管理机制相关的API,建立的约束条件,并强迫电源管理机制执行相匹配的变化。本文在研究现有单处理器的低功耗调度算法和多处理器调度算法的基础上,提出了一种针对周期性实时任务动态电压缩放的多处理器节能调度方法,它在任务执行前进行静态调度分析,求出最低处理器速度的调度方法。在执行中,如果有任务提前完成,再次动态缩放处理器电压,努力达到最小速度执行恒定完成任
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