胡 陽

（國網(wǎng)四川省電力公司 武勝縣供電分公司，四川 武勝 638400）

我國第一臺電子計算機(jī)雖然在應(yīng)用方面功能有限，但是需要的功率卻比較大，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)的性能形成質(zhì)的飛躍，體積不斷減小，但是耗能卻不斷提升，當(dāng)前計算機(jī)的功能已經(jīng)達(dá)到兆瓦。而耗能中處理器系統(tǒng)占用大部分，通過對官方網(wǎng)站的分析發(fā)現(xiàn)，處理器的功率能夠達(dá)到130W，Intel 處理器出現(xiàn)后才從功耗方面解決了功率問題，而起到主要作用的則是動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)。

1 動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)簡析

動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)是一種重要的節(jié)能技術(shù)形式。當(dāng)前計算機(jī)處理器中主要采用的為CMOS 邏輯門電路，這是一種基于MOSFET 的電路節(jié)點邏輯形式，通過對電路電容充放電的影響實現(xiàn)對電壓的改變，電壓高可以促進(jìn)電容放電速度加快，提升操作頻率。通過以上工作原理分析可知，計算機(jī)的功耗主要受能耗以及處理器功耗的影響[1]。如果處理器的電壓和頻率比較低的情況下，得到的能耗收益也會更高。計算機(jī)系統(tǒng)并不需要時刻保持滿負(fù)荷的工作狀態(tài)，可以結(jié)合計算機(jī)的負(fù)荷情況對頻率以及電壓進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。在計算機(jī)頻率以及電壓的節(jié)能性質(zhì)調(diào)整中，早期計算機(jī)已經(jīng)提供和形成相應(yīng)的用戶接口，比如可以通過對處理器工作電壓的調(diào)整，提升處理器倍頻和外頻，保證處理器的工作效率。這種技術(shù)與DVFS 技術(shù)存在一定的差別，一般設(shè)置在系統(tǒng)啟動前，在運行過程中則是不變的。通過DVFS技術(shù)處理器的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對工作電壓以及頻率動態(tài)調(diào)整的目的。從當(dāng)前主流處理器的離散預(yù)設(shè)頻率調(diào)節(jié)情況來看，采用的離散預(yù)設(shè)頻率個數(shù)比較多。從計算機(jī)的工作情況來看，相對于電壓的控制來說，對頻率的控制收益更明顯，因此處理器的應(yīng)用中更傾向于對工作頻率的調(diào)整。首先設(shè)定一個最低電壓，并形成多級的頻率與電壓對，結(jié)合需要對計算機(jī)電壓與頻率進(jìn)行同時調(diào)整。

2 動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的耗能分析

2.1 實時系統(tǒng)的控制

隨著動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，處理器在電壓以及頻率級數(shù)的調(diào)整層次逐漸增多，調(diào)整開銷得到有效控制，在技術(shù)低能耗和低功耗方面的研究內(nèi)容也越來越豐富。上世紀(jì)30 年代在軍事應(yīng)用中采用了實時系統(tǒng)，實時系統(tǒng)中計算的準(zhǔn)確率與計算邏輯結(jié)果以及結(jié)果產(chǎn)生時間等都具有直接的關(guān)系，也就是在研究中對任務(wù)時間進(jìn)行控制。結(jié)合時間控制的程度可以分為不同的系統(tǒng)類型，如果發(fā)現(xiàn)任務(wù)沒有達(dá)到時間控制要求則會發(fā)生致命的錯誤，這些系統(tǒng)為硬實時性系統(tǒng)[2]。如果可以接受偏差不大的時間控制問題則為軟實時系統(tǒng)。在系統(tǒng)的設(shè)置中實時系統(tǒng)大部分采用的都是嵌入式的系統(tǒng)模式，通過時間控制和約束使各個實時任務(wù)的執(zhí)行中都能夠具有時間控制概念，而且在任務(wù)執(zhí)行中也會出現(xiàn)最壞以及實際應(yīng)用時間。其中實際執(zhí)行時間指的是系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行中的實際時間，而最壞運行時間指的則是在生命周期內(nèi)任務(wù)執(zhí)行的時間最大值，而這些數(shù)值需要通過靜態(tài)分析獲得。如果系統(tǒng)可以符合實時要求說明任務(wù)的截止時間比實際運行時間小。而實際任務(wù)與實時任務(wù)間的差值則為松弛時間。實時系統(tǒng)中通過動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)對能耗和功耗控制的作用。通過松弛時間的獲取可以實現(xiàn)對處理器頻率的處理。如果實際運行時間與任務(wù)截止時間相近或者偏下的情況下，不僅可以實現(xiàn)對執(zhí)行任務(wù)功耗的控制，還能夠滿足時間的控制。

針對一個周期任務(wù)，將實時系統(tǒng)設(shè)置為T1、T2、T3，在執(zhí)行的過程中如果根據(jù)最高執(zhí)行頻率，會使系統(tǒng)具有松弛時間（如圖1）。通過動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)對頻率進(jìn)行降低調(diào)節(jié)中，可以利用松弛時間的填充實現(xiàn)對系統(tǒng)能耗以及功耗等方面的降低，滿足不同任務(wù)的時間控制。

圖1 動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)在實時系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖

通過時間控制與約束的應(yīng)用有利于促進(jìn)動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)與實時系統(tǒng)保持緊密的聯(lián)系，并衍生出更多的關(guān)于動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)的技術(shù)形式研究內(nèi)容。但是松弛時間的應(yīng)用，對于處理器頻率降低仍然存在一定的問題，必須要在任務(wù)執(zhí)行后才可以進(jìn)行運行時間的獲取[3]。最壞運行時間主要應(yīng)用于預(yù)測實際運行時間，這種預(yù)測方式缺乏精確性，還需要繼續(xù)加強(qiáng)潛力的挖掘。因此在這個領(lǐng)域的研究中需要將更多的時間應(yīng)用在如何保證預(yù)測的精確性方面。

2.2 實際系統(tǒng)應(yīng)用

圖2 PMH 與PMP 的應(yīng)用圖示

動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)在系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，會由于循環(huán)系統(tǒng)和分支系統(tǒng)使編譯器靜態(tài)分析中對PMP 的間隔插入無法實現(xiàn)等間隔。為了促進(jìn)PMP 概念在實際系統(tǒng)的有效應(yīng)用，在后續(xù)的工作中將調(diào)頻以及分析功能介入到后續(xù)操作系統(tǒng)中。設(shè)置編譯器靜態(tài)插入代碼，代碼設(shè)置為PMH，并對代碼的實際執(zhí)行情況進(jìn)行獲取。操作系統(tǒng)在PMP 執(zhí)行中需要保證執(zhí)行的定時性，PMP 與PMH 間會出現(xiàn)交互機(jī)制對松弛時間進(jìn)行獲取，從而實現(xiàn)調(diào)頻的作用[4]。操作系統(tǒng)通過定時機(jī)制的應(yīng)用可以實現(xiàn)對松弛時間間隔處理的均等性，符合調(diào)頻需要。這個階段的代碼插入需要在兩次PMP 之間進(jìn)行執(zhí)行，同時必須要融入一次PMH 的執(zhí)行，實現(xiàn)對PMP數(shù)據(jù)的收集。

3 結(jié)語

綜上所述，計算機(jī)應(yīng)用中會造成大量的能耗，但是這些能耗并非全部用于計算機(jī)正在執(zhí)行的功能中，也就是出現(xiàn)部分能耗浪費的情況。針對這個問題可以利用動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)加強(qiáng)對能耗的降低，通過對電壓以及頻率的調(diào)整實現(xiàn)控能的作用。因此需要加強(qiáng)對動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)的分析和研究，通過多個級別電壓/頻率的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對能耗的控制。