基于嵌入式Android系统的动态电源管理模型研究.pdf

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1、414化工自动化及仪表第4l卷基于嵌入式Android系统的动态电源管理模型研究刘博吴飞陈运文(上海工程技术大学电子电气工程学院，上海201620)摘要通过对硬件电路功耗和系统级功耗模型的分析，提出一种新的动态电源管理模型和系统／设备动态电源管理策略。实现了基于嵌入式Android系统外设多种工作状态的驱动程序设计，有效降低了设备的功率消耗。实验结果表明：在不影响系统性能的情况下，该方法可以有效减少整体功率的消耗。关键词动态电源管理嵌入式AndroidS／DDPM中图分类号TH862文献标识码A文章编号1000—3932(2

2、014)04-0414-05随着嵌入式系统应用的发展及其功能的不断扩展和升级，带来了能量消耗增长的问题。为了设备的方便使用，往往嵌入式设备整体空间设计是有限制的，因此类似设备的电源管理将成为制约其发展的一个重要因素。如何减少嵌入式设备的功率消耗，延长设备的待机时间和电池的使用寿命，满足用户对设备长待机的要求成为一个不可回避的话题。早期，PeringT等在前人预测和设置时间片策略的基础上，提出了基于任务的动态电压调整(DynamicVoltageScaling，DVS)策略，求得每个任务运行中的最佳频率设置参数¨’2。。Ind

3、umathiG和RamakrishnanKV通过设计控制时钟频率，采用动态频率调整(DynamicFrequencyScaling，DFS)策略，并检测外设功率消耗的相关实验，优化外设在睡眠情况的功率消耗旧一。文献[4]分析了动态电压频率调度(DynamicVoltageFrequencyScaling，DVFS)在典型移动嵌入式平台中的效果，并与其在服务器和PC中的效果进行了对比，建议移动电子设备的电源管理应重点关注外设电源管理的自适应和智能化。现在，一些嵌入式设备已经具备了动态调整电压和频率的功能，这为动态调整电压与频率

4、提供了物质基础，但是关于在何处实现动态电压与频率仍是一个开放的问题，主要集中在基于硬件电路模型和基于操作系统级模型的实现。5’61。笔者通过对嵌入式设备的功耗分析，在现有动态电源管理(DynamicPowerMan-agement，DPM)的基础上，侧重嵌入式外设的电源管理策略，提出新的动态功耗管理模型，以降低设备的电能消耗。1嵌入式功耗模型分析1．1电路模型低功耗分析一般通过设计控制互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)工艺门电路模型实现低能耗的目的。CM

5、OS电路模型功耗主要有静态功耗和动态功耗两种模式，其静态功耗由扩散区和衬底之间的反向偏置漏电流产生，可忽略不计；动态功耗由开关电流和电路翻转引起的短路电流两部分组成，短路电流产生的功耗所占比重比较少，因此CMOS电路的主要功耗由不断对负载电流充／放电产生"’8o，其主要功耗模型如下：PT。。=KCL吒DFclock(1)式中C。．——负载电容；Rk。——时钟频率；K——系数；y。。——电路电压。由式(1)可知，CMOS门电路功率消耗与其电路的输入电压呈二次方关系，与系统时钟频率呈线性关系。因此，在不影响系统正常性能的情况下，

6、动态调整CMOS电路中的电压和频率可以有效地改变其功率消耗。收稿日期：2014-03-04(修改稿)基金项目：国家自然科学基金资助项目(61272097)第4期刘博等．基于嵌入式Android系统的动态电源管理模型研究4151．2嵌入式系统低功耗分析一般而言，嵌入式系统可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。因此，从设计层次方面可以把系统功耗模型分为硬件层、操作系统层和应用软件层。操作系统层的低功耗设计模型如图1所示。操作系统层甲燃申【l硬件层(底层硬件驱动]图1嵌入式系统低功耗设计模型系统级节能低功耗设计往往在操作

7、系统层实现。在基于Android的嵌入式系统中，Android操作系统管理几乎所有的软、硬件资源，并通过监听机制获取系统的各种状态信息，通过接口调用控制硬件设备的运行状态。从能耗的角度讲，可以把操作系统层分为功耗驱动模块和功耗调度模块，并通过设计驱动程序驱动设备在不同的电压或频率下工作一o。2低功耗动态管理模型在Android系统中，驱动模块的实现和调用相对较简单，在应用架构层中(操作系统级)实现，主要对CPU和外部设备进行操作。2．1系统低功耗管理模型对系统层低功耗管理是通过控制寄存器进行设置频率和电压的相关参数实现的，图

8、2为根据系统的负载情况和系统DVFS策略对系统频率做调整的动态驱动管理模型。该模型的嵌入式设备中设置有支持动态频率电压调节的处理器。图2系统动态驱动管理模型2．2设备模块低功耗管理模型通过对嵌入式处理器外部设备模块功率消耗的有效管理，将会进一步降低嵌入式设备的功耗”。。在动态电源管理的基础