体系结构中低功耗优化策略

1、silberschatz, korth and sudarshan6.1database system concepts体系结构中低功耗优化策略体系结构中低功耗优化策略n陈一可陈一可 chen yiken顾夏申顾夏申 gu xiashenn陆浩远陆浩远 lu haoyuan school of software engineer, tongji university, shanghai, china silberschatz, korth and sudarshan6.2database system concepts摘要摘要n随着嵌入式系统的广泛应用，低功耗问题摆在了设计人员面前随着嵌入式系

2、统的广泛应用，低功耗问题摆在了设计人员面前低功耗设计包括系统设计、硬件设计低功耗设计包括系统设计、硬件设计 软件设计软件设计 器件的工艺设计等器件的工艺设计等诸多万面。其中器件的工艺设计主要由半导体器件的厂家来完成诸多万面。其中器件的工艺设计主要由半导体器件的厂家来完成，嵌入式系统的应用设计人员只需要关心器件的功耗指标。更多，嵌入式系统的应用设计人员只需要关心器件的功耗指标。更多的工作集中于系统的硬件、软件以及它们之间的配合方面。的工作集中于系统的硬件、软件以及它们之间的配合方面。n关键字：嵌入式设备 低功耗 优化silberschatz, korth and sudarshan6.3data

3、base system concepts引言引言n功耗功耗问题是近几年来人们在嵌入式系统的设计中普遍关注的难点与热点，特别是对于电池供电系统，而且大多数嵌入式设备都有体积和质量的约束。silberschatz, korth and sudarshan6.4database system conceptssilberschatz, korth and sudarshan6.5database system conceptsn（1）对于电池供电系统，延长电池的寿命，降低用户更换电池的周期，提高系统性能与降低系统开销，甚至能起到保护环境的作用；n（2）安全的需要：例如工业现场总线设备的本安要求，实现

4、本安要求的一个重要途径是降低系统的功耗；n（3）降低电磁干扰：系统的功耗越低，电磁辐射的能量越小，对其它设备造成的干扰越小，如果所有的电子产品都设计成低功耗的，那么电磁兼容性设计会变得容易；n（4）节能：特别是对电池供电系统来说，节能更为重要。降低系统的功耗具有下面的优点：降低系统的功耗具有下面的优点：silberschatz, korth and sudarshan6.6database system concepts功耗产生的原因功耗产生的原因np=v2(?)f(?)c+pstatic其中是静态功耗，是v工作电压，是f工作频率，是c负载电容。?表示式中v2与f功耗相关的因素越大，功耗越大,

5、但不是线性的。由于目前大多数电路采用cmos工艺，静态功耗很小,可以忽略。起主要作用的是动态功耗，因此降低功耗从降低动态功耗入手。 silberschatz, korth and sudarshan6.7database system concepts体系结构层降低功耗技术体系结构层降低功耗技术n系统中的动态能量消耗占主要部分,随着工艺的缩放,泄漏电流的比例逐渐增大.如果不使用任何泄漏控制机制,未来的工艺中动态能量消耗和静态能量消耗比例基本相当.n计算机系统是由软件和硬件组成的系统,低功耗问题必须从软件和硬件两方面综合考虑. n计算机系统包括中心处理器、主存和i/o设备.一般来说,磁盘设备的能

6、量消耗要比主存和处理器的功耗大几个量级,低功耗的系统往往不使用磁盘系统.内存系统dram的能量消耗是处理器能量消耗的几十倍到几百倍.处理器内部的动态能量消耗又由时钟系统、数据路径、存储系统和控制i/o等组成.silberschatz, korth and sudarshan6.8database system concepts一些重要的体系结构层降低功耗技术一些重要的体系结构层降低功耗技术n动态电压缩放(dynamic voltage scaling,简称dvs)降低电压n时钟门(clock gating)减少切换电容n存储系统减少切换电容n编码和缓存减少切换因子n泄漏能量减少技术silber

7、schatz, korth and sudarshan6.9database system conceptsn动态电压缩放(dynamic voltage scaling,简称dvs)降低电压系统的动态功耗和电压成二次方关系,降低供应电压可以降低系统的动态功耗,动态电压缩放在系统运行时动态改变电压.一般可以设置几个离散电压值,软件可以根据需求在几个电压值之间进行动态调整.实用的处理器包括transmeta crusoe,intel xscale和amd k6 iii+.电压切换存在一定的能量开销和时间开销.silberschatz, korth and sudarshan6.10databas

8、e system conceptsn时钟门(clock gating)减少切换电容时钟系统的能量消耗占cpu总功耗的很大一部分,减少时钟系统的切换电容对总功耗有很大的作用.一种实际有效的方法是划分时钟网络,在每个周期只允许必要的部分进行切换.这通过时钟门来实现.使用时钟门关闭的部件一般不能及时恢复正常状态,并且时钟系统可能产生小故障,这是使用时钟门存在的问题.如何有效地使用时钟门关闭功能部件,如何及时地将关闭的功能部件恢复到正常状态以降低性能损失是软件需要解决的问题.silberschatz, korth and sudarshan6.11database system conceptsn存储

9、系统存储系统减少切换电容减少切换电容 cpu内部的cache,tlb*,分支缓存占能量消耗的很大部分,dram的功耗又是cpu的几十倍,磁盘设备更是重要的能量消耗源.低功耗的存储系统对降低系统功耗有很大作用.除了传统的多运行模式磁盘、内存系统以外,很多新的硬件技术用来解决存储系统的运行时功耗:n新的cache技术.处理器的发展集成了越来越大的芯片内cache,大的cache造成了大量的能量消耗.在保持程序性能的前提下,功耗最优的cache大小和结构随着负载的变化而变化.于是产生了可重配置的cache1和动态关闭cache行的cache,这些cache设计的主要目的是减少动态切换的电容量,降低功

10、耗.n多bank的内存结构.为了降低访存的切换电容量,将存储结构划分为多个bank,每次只访问部分部件,不使用的内存bank可以关闭.n这些动态的存储系统部件为存储系统的能量优化提出了新问题,如动态cache结构下,如何有效利用cache,保证性能并提高能量效率?采用什么样的方法进行cache数据的映射?基于分页的操作系统如何有效利用多bank的内存系统?程序如何有效地局部化,利用多个内存bank降低功耗?silberschatz, korth and sudarshan6.12database system conceptsn编码和缓存减少切换因子应用中很多计算存在重复部分,可以在功能部件中

11、增加cache,将计算的结果保存.如果又有同样操作数的计算,则直接使用原来的值.这种方法减少了切换活动,降低了功耗.有些计算使用的操作数不需要很高的精度,低位部分就足够了,这样可以通过一些技术监测冗余的高位部分,避免高位部分的计算以降低功耗silberschatz, korth and sudarshan6.13database system conceptsn泄漏能量减少技术泄漏能量减少技术 泄漏能量消耗是今后工艺发展面临的重要问题之一,泄漏控制的主要方式有: a. 输入向量控制(ivc) b. 增加阈值电压(mtcmos,bbc) c. 关闭供应电压(power supply gating

12、,简称psg) d. 动态电压缩放 silberschatz, korth and sudarshan6.14database system concepts开发部件使用的局部性开发部件使用的局部性n 系统中的指令类型是多种多样的,每种指令使用的功能部件或设备都是不同的,以往的任务调度和指令调度策略很少考虑到设备类型的因素.在新的低功耗技术支持下的系统,这些可能是关键的因素.程序执行期间对设备的使用是很复杂的,它可能随时都有启动设备的需求,如果这些设备被过于频繁地访问,考虑到节能策略的时间开销和能量损失,不是任何情况下使用节能方法都会得到收益,尽量集中一类部件或者一个部件的使用,最大化部件使用

13、的间隔具有重要意义,这就是部件使用的局部化。silberschatz, korth and sudarshan6.15database system conceptssilberschatz, korth and sudarshan6.16database system conceptsn(1) 处理器部件类型局部化和设置恰当的部件数量n(2) cache使用的局部化和设置适当的cache行数目n(3) 内存使用的局部化n(4) i/o使用的局部化n(5) 多任务多设备的调度根据这一概念根据这一概念,我们总结出一些方法用于低功耗编译优化我们总结出一些方法用于低功耗编译优化 silberscha

14、tz, korth and sudarshan6.17database system concepts编译低功耗技术研究的基本方法编译低功耗技术研究的基本方法n结合目前的发展趋势，在开展体系结构以及相应的低功耗和编译优化技结合目前的发展趋势，在开展体系结构以及相应的低功耗和编译优化技术的研究工作中。首先要考虑几个问题：术的研究工作中。首先要考虑几个问题：n（1）我们在设计一种新的体系结构时能否提出一种这样的结构模型，在提高性能的同时，应考虑如何有效支持编译时的功耗优,在设计技术上要做出那些扩展和权衡？n（2）如何在这种新的体系结构模型上研究和实现充分综合开发体系结构并行性以及降低功耗的模型和算法？n（3）这种模型对于实际应用程序的性能提高与降低功耗权衡的关键是什么？n（4）提出充分发挥体系结构特征的并能达到降低功耗目的的相关编译优化的方法和技术；n（5）通过对特选应用实例的模拟和分析，评价所提出的结构特征和相应的编译技术；n（6）研究和形式化对以上问题的求解策略，并提出有效实现方案（7）对以上方法进行实现，并开展验证结果的实验研究；silberschatz, korth and sudarshan6.18database system conceptsn1 l