818 计算机研究与发展2008,45(5) 随着微电子技术和移动计算技术的快速发展,都依据CMOS电路的功耗原理.CMOS电路功耗 能耗和散热问题日益突出,特别在采用电池供电的分为3类:动态功耗、静态功耗和泄漏功耗.泄漏功 系统中降低能耗已经成为和提高性能、降低成本同耗相对较小,可以忽略.静态功耗由于供电电源和 等重要的设计目标,推动人们从能耗角度重新考虑地之间漏电流造成,相对较小,但由于芯片特征尺寸 系统设计和实现 缩小而明显提高,在低功耗设计中逐渐受到重视 低功耗技术研究出现于硬件电路设计领域,动态功耗是门电路跳变的功耗在CMOS电路功耗 随着研究的发展,在体系结构、编译器、操作系中占主要部分,是低功耗技术中的主要研究对象 统及网络等各层次展开,涉及领域包括嵌入式系统 根据动态功耗和能耗表达式[67,CMOS器件 桌面系统和服务器系统等.管理的硬件从磁盘、人的动态功耗是供电电压的单调递增函数即如果电 机交互设备、网卡等各类外设到处理器、内存和总线 压降低为原来的1k,则动态功耗P近似为原来的 等核心部件 1/3;能耗近似为原来的1/k2.降低电压会造成 在电能有限的条件下,电源管理的目标是提高 计算机系统的能耗效率,关键在于系统性能与能耗CMOS电路的延迟,从而同步降低时钟频率 之间的权衡.在多任务并发的操作系统中,系统的 在此基础上,器件级低功耗设计技术通常采取 能耗是工作负载驱动硬件操作的结果.由于应用场降低供电电压、降低时钟频率或者减少硬件电路的 景和任务特征的多样性和存在性能约束,以及操作分布电容等方法来降低器件的功耗充分发挥可调 系统对任务的管理调度作用,给电源管理决策带来节功耗的系统部件的低功耗特性成为软件电源管理 复杂性和不确定性因素;硬件电源状态转换固有的技术的降低系统能耗的重要途径.以笔记本电脑为 能耗与时间开销,也是电源管理决策不可忽视的影例,显示屏背光处理器以及硬盘这3个部件能耗占 响因素 系统总能耗的57%~68%6,通过软件技术控制硬 传统的硬件低功耗技术从电路设计角度降低局盘空闲时停转,调低显示屏背光亮度等就可以显著 部器件功耗,难以顾及任务运行特征,降低能耗的程降低系统能耗 度和范围有限.而操作系统能够在系统运行期间根 在空闲外设被关闭情况下,处于运行态的系统 据系统运行状态,动态调节系统部件功耗状态,在系主要能耗来自于处理器.因此,处理器的动态功耗 统范围内更有效地发挥低功耗硬件的特性,降低系管理和电压调节技术是软硬件低能耗研究者们的关 统能耗因此,如何根据工作负载的复杂性和不确注热点 定性进行电源管理决策和控制,在不降低用户可察 根据所管理的硬件特性抽象电源管理子系统模 觉的系统性能情况下降低系统能耗,成为移动计算型是操作系统电源管理研究的出发点根据硬件特 和操作系统研究领域的热点问题 性的区别,把操作系统电源管理策略研究内容划分 20世纪90年代以来,操作系统电源管理技术为两类:动态功耗管理( dynamic power management) 受到广泛重视,研究的关注点可以分为策略与算法 策略和动态电压调节( dynamic voltage scaling) 资源管理机制、规范与接口等多个方面 从优化控制角度来看,操作系统电源管理的主策略 要问题是在硬件特性基础上研究电源管理系统模型1.1电源管理子系统模型 以及电源管理策略.从操作系统设计角度来看,操 Stanford大学的 Benin等人给出动态功耗 作系统管理电源资源面临的主要问题是如何扩充现管理的概念:根据工作负载的变化,选择性地设置系 有操作系统资源管理框架来支持电源管理,以及如统部件到低功耗状态或者关闭空闲系统部件,以最 何把电源当做一种资源进行操作系统资源抽象建小的活动部件数目或最小的部件功耗来提供系统所 立高效资源管理机制 需的服务和性能级别 电源管理软件和被管理的系统部件被抽象为如 1操作系统电源管理模型与策略 图1所示的子系统,由电源管理器( power manager 和系统部件构成.电源管理器监视系统运行,决策 操作系统电源管理技术的硬件基础是系统部件选择何种功耗状态及状态转换时间,并实施控制过 的低功耗特性.虽然硬件的种类繁多,但降低能耗程.可管理部件是系统部件或整个系统的抽象,用818 计 算 机 研 究 与 发 展 2008，45(5) 随着 微 电子 技术 和 移 动 计算 技 术 的快 速 发展 ， 能耗 和 散热 问题 日益 突 出 ，特 别 在 采用 电池 供 电 的 系统 中降低 能耗 已经 成 为 和 提 高性 能 、降 低 成 本 同 等 重要 的设计 目标 ，推 动人 们 从 能耗 角度 重 新 考 虑 系统设 计和实 现． 低 功耗技 术研 究 出现 于 硬 件 电路 设 计 领 域 [1]， 随着 研究 的发 展 ，在 体 系结构 ]、编 译器 [3]、操 作 系 统 及 网络等各 层次 展开 ，涉及 领域 包括嵌 入 式系统 、 桌 面 系统和 服务 器 系统 等 ．管 理 的硬 件从 磁 盘 、人 机 交互设 备 、网卡 等各类 外设 到处 理器 、内存 和 总线 等 核心 部件． 在 电 能有 限 的条 件 下 ，电源 管理 的 目标 是 提 高 计 算机 系统 的能耗 效 率 ，关 键 在 于 系统 性 能 与 能耗 之 间 的权衡．在 多 任 务 并 发 的操 作 系统 中 ，系 统 的 能耗是 工作 负载驱 动硬 件操 作 的结 果．由于应 用 场 景 和任 务特 征的 多样 性 和 存 在 性 能约 束 ，以及 操 作 系统对 任务 的管 理调 度 作 用 ，给 电源管 理 决 策 带来 复杂性 和不确 定性 因素 ；硬 件 电源 状态 转 换 固有 的 能耗与 时 间开销 ，也 是 电源 管 理 决 策 不可 忽 视 的影 响因素 ． 传 统 的硬 件低 功耗 技术 从 电路 设计 角度 降低 局 部 器件 功耗 ，难 以顾及 任务 运行特 征 ，降低能 耗 的程 度 和范 围有 限．而操作 系统 能够 在 系统 运 行期 间根 据 系统 运行状 态 ，动态 调节 系统部 件功耗 状态 ，在 系 统 范 围内更有 效 地 发挥 低 功 耗 硬件 的特 性 ，降 低 系 统 能耗 因此 ，如何 根 据 工 作 负 载 的复 杂 性 和 不确 定 性进 行 电源管 理决 策 和 控 制 ，在 不 降低 用 户 可察 觉 的系统性 能情况 下降 低 系 统 能 耗 ，成 为 移 动 计算 和操作 系统研 究领 域 的热点 问题． 2O世 纪 9O年 代 以来 ，操 作 系统 电 源管 理 技 术 受 到广 泛重视 ，研究 的关 注 点可 以分为 策略 与算法 、 资源管 理机制 、规 范与接 口等多个 方面 ． 从 优 化控 制 角 度来 看 ，操 作 系统 电源管 理 的 主 要 问题 是在硬 件特 性基 础上研 究 电源管 理系 统模 型 以及 电源管理 策 略 ．从 操 作 系 统 设 计 角 度来 看 ，操 作 系统 管理 电源 资源 面临 的主要 问题 是如何 扩充 现 有 操作 系统 资源 管理 框 架来 支持 电源 管 理 ，以及 如 何 把 电源 当做 一种 资 源 进 行操 作 系统 资 源抽 象 ，建 立 高效 资源管 理机 制． 1 操作 系统 电源管理模型与策 略 操作 系统 电源 管理技 术 的硬件 基础是 系 统部件 的低 功耗 特性．虽 然 硬 件 的种 类 繁多 ，但 降 低 能耗 都 依据 CMOS电 路 的 功耗 原 理 ．CMOS电路 功耗 分 为 3类 ：动态 功耗 、静态 功耗 和 泄漏 功耗 ．泄 漏功 耗 相对 较小 ，可 以忽 略．静 态 功耗 由 于 供 电 电源 和 地 之 间漏 电流造 成 ，相 对较 小 ，但 由于芯 片特 征尺寸 缩 小而 明显 提 高 ，在 低 功 耗 设 计 中逐 渐 受 到 重 视． 动态 功 耗是 门 电路 跳 变 的 功耗 在 CMOS电路 功 耗 中 占主要部 分 ，是低功 耗技 术 中的 主要研究 对 象． 根 据 动 态 功 耗 和 能 耗 表 达 式[6。]，CMOS器 件 的动态 功耗 是供 电电压 的单 调 递 增 函数 ，即如果 电 压 降低 为原 来 的 ilk，则 动 态 功 耗 P 近 似 为原 来 的 ilk。；能 耗 近 似 为 原 来 的 ilk。． 降 低 电 压 会 造 成 CMOS电路 的延 迟 ，从 而 同步 降低 时钟频 率 ]． 在 此 基础 上 ，器 件 级低 功 耗 设 计 技术 通 常 采取 降 低供 电电压 、降低 时 钟 频 率 或者 减 少 硬 件 电路 的 分 布 电容等方 法来 降低 器 件 的功耗 ．充 分 发挥 可调 节 功耗 的 系统部 件 的低 功 耗特性 成 为软 件 电源管理 技术 的降低 系统 能耗 的重要 途 径．以笔 记 本 电脑 为 例 ，显 示屏背 光 、处理 器 以及硬盘 这 3个 部件 能耗 占 系统 总能耗 的 57 ～ 68 [8]，通 过 软 件技 术 控 制硬 盘 空 闲时停 转 ，调低 显 示 屏 背 光亮 度 等 就 可 以显著 降 低 系统能 耗． 在 空 闲外 设 被 关 闭情 况 下 ，处 于 运行 态 的系统 主要能 耗来 自于 处 理 器．因此 ，处 理 器 的 动态 功耗 管 理和 电压 调节 技术 是软 硬件低 能 耗研究 者 们 的关 注 热点 ． 根 据所 管理 的硬 件特 性抽 象 电源管 理子 系统模 型 是操 作 系统 电源 管理 研 究 的 出发 点．根 据 硬 件特 性 的 区别 ，把 操 作 系统 电 源 管理 策 略 研 究 内容 划分 为两 类 ：动态 功 耗管 理 (dynamicpowermanagement) 策 略 和 动 态 电 压 调 节 (dynamicvoltagescaling) 策 略． 1．1 电源 管理 子 系统 模 型 Stanford大 学 的 Benini等 人 [g给 出 动 态 功 耗 管 理 的概念 ：根据 工作 负 载 的变化 ，选择性 地设 置 系 统 部件 到低 功耗 状 态或 者 关 闭空 闲系 统 部 件 ，以最 小 的活 动部 件数 目或最 小 的部 件功 耗来 提供 系统所 需 的服 务 和性 能 级别 ． 电源管 理软 件和被 管 理 的系统 部件被 抽 象为如 图 1所示 的子 系统 ，由电源 管理器 (powermanager) 和 系统 部件 构成 ．电源 管 理 器监 视 系统 运 行 ，决 策 选 择何 种功 耗状 态 及状 态 转 换 时 间 ，并 实 施 控制 过 程 ．可管理 部 件 是 系统 部 件或 整 个 系统 的抽 象 ，用 维普资讯 http://www.cqvip.com