＼ 研究与开发 ＼ 文章编号：１００７—１４２３（２０１５）１８—００１６—０４ ＤＯｌ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－１４２３．２０１５．１８．００４ 嵌入式系统动态低功耗研究 陈丹桂．唐佳 （湖南涉外经济学院信息科学与工程学院，长沙４１０２０５） 摘要： 使用条件、工作环境不同出现工作负荷的不断变化和不均匀是嵌入式系统使用中的主要特点。现在普遍的做法是根 据具体的实际情况动态调节处理的工作电压使系统性能和功耗之间的平衡。在动态低能耗中，电压调节和电源管理 是目前研究的主要方面，也都取得很大的进步。从动态电压调节来研究嵌入式系统动态低能耗，侧重于阐述电压调节 原理和策略模型 关键词： 嵌入式系统；动态电源技术；动态电压调节技术；低功耗 基金项目： 湖南省教育厅科学研究项目（Ｎｏ．１４Ｃ０６５３） １ 低功耗研究的必要性和可能性 在一定使用条件下．几个对象组成的嵌入式系统 在多对象的相互作用下能够向外界输出一定的功能 的实现需要嵌入适合的程序。 ２低功耗设计 首先分析耗能原件．内核处理单元承担系统计算． 在设备生产评价阶段，需要不同的评价指标来评价产 品的质量。对于嵌入系统．也需要多种评价。这些指标 嵌入系统相关数据的存储、显示单元，以及系统内部的 连接单元这些都是耗能元件 降低能耗需要从这几个 方面人手．降耗的前提要保障能耗元件满足使用要求 的前提 从目前研究来说．嵌入式能耗减低分为静态技 术和动态技术 在系统初步设计的过程中．满足功能要 求和使用模式．这些是已经知道的．在后期是不能改变 的 例如，优化程序代码，是程序运行简洁、快速，改变 包括使用可靠性、维修便捷性、能耗低等。其中随着社 会能源重视程度的提高，能耗性能越来越被看重．成为 被考虑的重要设计因素。必要性表现在：（１）便携式设 备越来越多使用电池，而电池容量有限；（２）电子元件 的迅速发展．系统时钟频率和集成度明显提高．ＩＣ器件 性能提高都带来能耗增加；（３）环保，绿色电器理念流 行．人们对低能耗设备认可度提高。还有其他因素都说 明降低嵌入式设备系统能耗的必要 可行性表现在： （１）动态电源管理技术的应用，以及电源供给技术的发 代码在储存器中的储存方式直接影响数据的读取使 用．影响单元之间的能量平衡。静态低能耗主要使用在 系统的设计阶段．在系统初期设计时考虑 动态低能耗 是相对于静态低能耗来说的．从字面来说也可以看出． 动态是不断变化的．嵌入系统工作过程中系统载荷是 不断变化的．动态技术就要能够识别这种变化，调节相 展．可以使设备根据不同任务调节工作电压，电压转换 器为电压动态调节提供了硬件支持：（２）嵌入式系统是 多种器件的集合．具有不同器件的特性，系统根据不同 器件在最坏情况下负载的变化提供电源，可以使某些 设备在睡眠和唤醒不同模式下工作：（３）每项功能的实 应的设备运行模式．根据不同载荷．调节模式实现能耗 的降低 动态技术也属于系统的设计阶段。关键是模式 转换单元．要能良好识别不同的工作负荷．也称谓功耗 现．都需要硬件为载体，软件为主体，我们动态低功耗 现代计算机２ｏ１５．０６下 的平均功耗为０．３８ Ｗ．该值比预测关闭技术又降低了 （０．６—０．３８）／０．６＝３７％。０．３８ Ｗ是在等待发生任务到达情 况下的最优功耗 如果能够完全知道不确定性事件的 发生时问．则动态电压技术在整个周期内还能使处理 器处于一个更低的能耗水平 还能满足截止期限完成 任务的要求。在图ｌ（ｂ）中，假设系统能够预知Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５ 程中电压保持不变 联系性表现在： 工作范畴：如果把工作电压的变化情况看作工作 模式，动态电压就包含动态电源。动态电压扩展了有效 工作状态的定义．即包括分散或者连续电压。这样能够 使功耗和性能之间取得平衡。这种方法可使功耗管理 在系统有任务时就使用动态电压．而系统处于空闲时 调为动态电源．这样就能同时控制性能和功耗水平，从 而得到更大的功耗节省。通过综合分析，动态电压和动 的发生时间．周期时间段内２．４８ Ｖ的较低电压水平．同 时处理器的速度只是最大速度的６０％（即『３．３／（３．３— ０．８）２１／［２．４８／（２．４８—０．８）２１），运行速度处于较低水平也 降低了功耗。平均功耗降为０．３４Ｗ。 态电源两者存在区别．同时也有一定的联系。在使用过 程中．应该根据具体的使用任务结合它们各自的特点 应用。 ３．３动态电压技术与动态电源技术的比较 分析动态电压技术与动态电源技术的基本原理以 及策略模型知道．动态电压技术与动态电源技术原理 之间有着明显的区别．但也存在一定的必要联系。区别 主要表现在： （１）原理方面：动态电压和动态电源在调节规律上 不一样 动态电压的工作电压是可以随时变化的．它变 化的趋势根据工作的负载 动态电压工作电压是不能 ４ 结语 传统设计概念主要从嵌人式系统的可靠性、使用 功能性、设计维修费用人手考虑．随着技术发展，系统 功耗这一概念也越来越受到设计者的重视．降低功耗 主要是人们对便携设备电池耐用性、芯片运行速度、降 低能源消耗多方面考虑的结果 便携设备越普及。它的 重要性越明显 尽管动态电压和动态电源技术已经取 得了突飞猛击的发展．还有一些关键技术需要不断地 研究．特别是提高系统协调降耗方面。 改变的，它主要根据工作中．负载的有无，调节工作模 式是正常还是休眠 （２）工作过程：动态电压的电压是不断变化的，这 就需要稳定的电压转换电路 而动态电源整个工作过 参考文献： 【１］Ｙａｏ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｅｄ ＣＰＵ Ｅｎｅｒｇｙ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３６ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｆ０ＣＳ，９５），Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ＤＣ，１９９５［Ｃ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ＤＣ：ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９５ 【２］Ｈｏｎｇ Ｉ，ｅｔ ａ１．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ Ｈａｒｄ Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｎ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＲＴＳＳ， Ｍａｄｒｉｄ，１９９８［Ｃ】．ｏｓＬ Ａｌａｍｉｔｏｓ：ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９８． ［３］Ｑｕａｎ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｅｎｅｒｙ ｇＥｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｆｉｘｅｄ—ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｆｏｒ Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ：Ａｎｎｕａｌ ＡＣＭ ＩＥＥＥ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｌａｓ Ｖｅｇａｓ，２ｏｏ１［ｃ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ，２００１ Ｄ］Ｗｏｏ—ｃｈｅｏｌ Ｋｗｏｎ，ｅｔ ａ１．Ｏｐｔｉｍａｌ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａａｌｌｏｅａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ［Ｊ］．ＡＣＭ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ．２００５，４（２）：２１１～２３０ ￣］Ｈｏｎｇ Ｉ，ｅｔ ａ１．Ｏｎｌｉｎｅ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｏｆ Ｈａｒｄ Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｔａｓｋｓ ｏｎ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ：ＩＣＣＡＤ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，１ ９９８［Ｃ】．Ｎｅｗ Ｙｎｒｋ，： ＡＣＭ，１９９８ ［６］Ｌｕｏ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ｐｏｗｅｒ－Ｃｏｎｓｃｉｏｕｓ Ｊｏｉｎｔ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｏｆ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｔａｓｋ Ｇｒａｐｈｓ ａｎｄ Ａｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｔａｓｋｓ ｉｎ Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓ ｔｅｍｓ：Ｐｒｏｃ．［ｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ，２ｏｏｏ［ｃ】．Ｐｉｓｅａｔａｗａｙ：ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，２０００ ［７］廖旺才．自回归模型和基于数据处理分组法的非线性模型的比较研究【Ｊ】．北京生物医学工程，２００４，１３（３）：１２９～１３９ ［８】董德存．用于ＡＲ参数估计的一种神经网络新方法【Ｊ］．ｊＢ方交通大学学报，２００３，１８（２）：１６６—１７１ 【９】连兵．因果非最小相位ＡＲＭＡ模型定阶与参数模型估计的实现［Ｊ１．大连理工大学学报，２００５，３４（５）：６００－６０５ Ｉ１０］徐峰．ＡＲ模型用于振动信号趋势预测的研究［Ｊ１．清华大学学报（自然科学版），１９９９，３９（４）：５７～５９ 西 现代计算机２０１５．０６下 作者简介： 陈丹桂（１９８３一），女，湖南长沙人，硕士，讲师，研究方向为数字图像处理 唐佳（１９８１一），女，湖南长沙人，硕士，讲师，研究方向为软件工程 收稿日期：２０１５—０４—２１ 修稿日期：２０１５—０５—１４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｏｗ－Ｐｏｗｅｒ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ＣＨＥＮ Ｄａｎ－ｇｕｉ，ＴＡＮＧ Ｊｉａ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０２０５） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｕｓｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｗｏｒｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｐｐｅａｒｓ ｕｎｅｖｅｎ ｗｏｒｋｌｏａｄｓ ｕｓｉｎｇ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ・ Ｎ０ｗ ｃ０ｍｍｏｎ Ｄｒａｃｔｉｃｅ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒ。 ｍａｎｃｅ ａｎｄ Ｄｏｗｅｒ ｂａｌａｎｃｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅ。 ｓｅａｒｃｈ ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ．ａｌｓｏ ｈａｖｅ ｍａｄｅ ｇｒｅａｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ，ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｍｏｄｅ１． （上接第６页） Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｆｅａｔｕｒｅ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ＭＥＧ Ｂａｓｅｄ Ｏ１３ ＣＳＰ／ＷＰＤ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＬＩ Ｇｕａｎｇ－ｙｏｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｘｉａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０６） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈｅ ｒｅｓｔｉｎｇ ｓｔａｔｅ ＭＥＧ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｅｏｐｌｅ，ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ＭＥＧ ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｗｈｉｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｗａｖｅ１ｅｔ ｐａｃｋｅｔ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｍｏｎ ｓｐａｔｉａｌ ｐａｔｔｅｒｎ．Ｕｓｅｓ ｗａｖｅｌｅｔ ｐａｃｋｅｔ ｔｏ ｄｅｃｏｍｐｏｓｅ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｅｔ ｏｆ ｍｕｌｔｉ— ｃｈａｎｎｅｌ ｂｒａｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｅｒｅａｓ ＣＳＰ ｃａｎ ｅｘｔｒａｃｔ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｂｒａｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｕｂ ｂａｎｄｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄ ｌｅｖｅｌｓ．Ｕｓｅｓ ｔｈｅ Ｋ—ｎｅａｒｅｌｓｔ ｎｅｉ ｂ０Ｉ ｔｏ ｃｌａｓｓｉｆｙ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｉｆ ｕｓｉｎｇ ｌｏｗ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ（０ Ｈｚ～４．７ Ｈｚ）ｏｆ ＭＥＧ ｉｎｐｕｔ ｃｏｍｍｏｎ ｓｐａｔｉａ１ ｐａｔｔｅｒｎ，５ ｆｅａｔｕｒｅ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｃｌａｓｓｉｉｆｃａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃａｎ ｂｅ ｕｐ ｔｏ ９１．７％．Ｅｘｐｅｆｉ— ｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｉｓ ｍｏｒｅ ｎｏｔｉｃｅａｂｌｅ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｉｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｈｏｕｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ＭＥＧ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ｒｅｓｔｉｎｇ Ｓｔａｔｅ；Ｍａｇｎｅｔｏ Ｅｎｃｅｐｈａｌｏ Ｇｒａｐｈｙ（ＭＥＧ）；Ｃｏｍｍｏｎ Ｓｐａｔｉａｌ Ｐａｔｔｅｒｎ（ＣＳＰ）；ＷａＶｅ Ｐａｃｋｅｔ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＷＰＤ）；Ｋ－Ｎｅａｒｅｓｔ Ｎｅｉｇｈｂｏｒｓ （ＫＮＮ） 现代计算机 ２０１５。Ｏ６下