1 功耗管理技術(shù)分析
1.1 系統(tǒng)狀態(tài)、任務(wù)和電源管理策略信息
電源管理的前提是對系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)及任務(wù)信息的準確檢測和管理，以及對電源管理策略進行準確的效率統(tǒng)計。
系統(tǒng)狀態(tài)包括 Running（工作）狀態(tài)、Idle（空閑）狀態(tài)和 Sleep（休眠）狀態(tài)。有的系統(tǒng)可以提供多模式的工作狀態(tài)，區(qū)別主要在于處理器工作頻率、工作電壓和設(shè)備組合的不同。任務(wù)的實時指標包括響應(yīng)時間（response time）、延時（latency）和任務(wù)截止期（deadline）。硬實時任務(wù)對這些指標有硬性的要求，當系統(tǒng)不能達到該指標時，提供的數(shù)據(jù)或服務(wù)就會失效，甚至造成災(zāi)難性的后果；軟實時任務(wù)則對其只有軟性要求，達不到指標的后果只是無法提供要求的服務(wù)質(zhì)量。任務(wù)的信息除了實時指標以外， 還有執(zhí)行任務(wù)所使用的設(shè)備部件。如果是多工作模式系統(tǒng)，則還要包括執(zhí)行該任務(wù)的工作模式。許多操作系統(tǒng)和處理器都能夠提供很好的檢測模塊和功能單元。例如，Linux 的 timer 函數(shù)可以提供系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測計時， Intel XScale 處理器的 PMU（Performance Monitoring Unit）單元，可以用來監(jiān)視 XScale 平臺的工作情況。對系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息的檢測和管理是管理模塊中的重要部分之一。 電源管理策略信息包括核心算法和工作效率。 衡量電源管理策略的效率可以通過計算 “競爭比" （competitive ratio） 和 “錯誤率" 等來判斷。
在利用競爭分析方法分析電源管理策略中使用了“競爭比"這個衡量指標。競爭分析方法的前提： 假設(shè)所研究的問題有一個競爭對手，而且這個對手對該問題的輸入能夠產(chǎn)生影響。競爭比的定義是在線（online）策略所消耗的資源與完成任務(wù)可能消耗的最少資源之間的比值。這里，在線策略是針對負載未知的系統(tǒng)的電源管理策略。因為在實際系統(tǒng)中，系統(tǒng)下一個任務(wù)請求的到達時間是不可能正確預(yù)知的，而可能消耗的最少資源就是在電源管理策略能正確預(yù)知下一個任務(wù)請求到達時間的前提下所消耗的資源。這里的資源可以簡單地用功耗代替，也可以結(jié)合系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的延時，即系統(tǒng)性能。預(yù)測錯誤率是針對預(yù)測策略的效率指標，它等于預(yù)測錯誤次數(shù)與總預(yù)測次數(shù)之間的比值，并可利用布爾數(shù)來判斷預(yù)測錯誤率的評估函數(shù)。
1.2 Running 狀態(tài)下的電源管理方法
當系統(tǒng)處于 Running 狀態(tài)時，電源管理模塊根據(jù)任務(wù)信息，在完成任務(wù)的前提下，通過轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)或者工作模式來達到降低功耗的目的。例如： 任務(wù)按照運算密集型和存取密集型分類，在執(zhí)行運算密集型的任務(wù)時，可以在保證任務(wù)完成的實時需求的前提下通過降低總線頻率來降低系統(tǒng)功耗；在執(zhí)行存取密集型的任務(wù)時，可以通過降低處理器的工作頻率來降低功耗。
當系統(tǒng)執(zhí)行多工作量的任務(wù)或者同時執(zhí)行多任務(wù)時， 有效的電源管理策略是任務(wù)調(diào)度和任務(wù)截止期（deadline）相結(jié)合的電源管理策略。這種電源管理策略的基本思想是： 將任務(wù)按使用設(shè)備和任務(wù)集合分組，羅列所有調(diào)度可能，排除約束條件（在截止期內(nèi)完成）以外的調(diào)度，在任務(wù)截止期內(nèi)盡量使同組任務(wù)集中執(zhí)行，從而使系統(tǒng)空閑時間盡可能集中，以實現(xiàn)動態(tài)電源管理。
基于任務(wù)調(diào)度和任務(wù)截止期的電源管理策略的調(diào)度任務(wù)原則是：
①調(diào)度能耗越低，則優(yōu)先級越高；同組的任務(wù)按截止期排序；每組個任務(wù)的截止期越早，則該組調(diào)度的優(yōu)先級越高； 每組個任務(wù)的截止期越早，則該組調(diào)度的優(yōu)先級越高。
②對于調(diào)度能耗與截止期相同的調(diào)度，先到達者具有更高的優(yōu)先級。
③當有外部任務(wù)請求使用休眠的設(shè)備時，電源管理模塊重新安排任務(wù)的優(yōu)先級。
設(shè)連續(xù)函數(shù) P(s)，如果系統(tǒng)設(shè)備運行在速度 s 下，則其消耗的功率為 P。根據(jù)基于 CMOS 工藝的設(shè)備的立方根（cube root）原理，這是一個嚴格的凸函數(shù)，它傳達的信息是，任務(wù)進行得越慢，越節(jié)省功耗。這是基于任務(wù)截止期約束任務(wù)完成的電源管理策略的基本出發(fā)點。當前有不少基于任務(wù)截止期約束任務(wù)完成的電源管理策略，例如簡單化的在線策略 AVR[3]（Average Rate）、OA（Optimal Available）和 BKP 策略[4]等就是這類策略的典型。其中： AVR 策略假設(shè)系統(tǒng)中只有一個任務(wù)在執(zhí)行；OA 策略假設(shè)不會再有新任務(wù)進入安排；而 BKP 策略則在 c 比較大時才能夠很好地降低功耗。
1.3 Idle 狀態(tài)下的電源管理方法
系統(tǒng)設(shè)備完成任務(wù)后，將處于 Idle 狀態(tài)的系統(tǒng)設(shè)備進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換是該狀態(tài)下電源管理的主要方法。主流策略有 Timeout 策略、基于預(yù)測的管理策略和基于隨機的管理策略。
基于預(yù)測的電源管理策略是根據(jù)系統(tǒng)信息（包括歷史信息和用戶習慣等），對系統(tǒng)將要處于 Idle 狀態(tài)的持續(xù)時間 Tpred 進行預(yù)測。比較 Tpred 和 Tth，當Tpred≥Tth 時在任務(wù)完成后立即將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到休眠狀態(tài)；否則，繼續(xù)維持系統(tǒng)Idle 狀態(tài)。預(yù)測時刻和 Idle 狀態(tài)中的預(yù)測間隔由具體策略決定?；陬A(yù)測的電源管理策略的核心是， 使用何種算法來利用系統(tǒng)反饋信息去更新算法的預(yù)測根據(jù)。要做出符合系統(tǒng)設(shè)備用戶使用習慣和任務(wù)請求的準確預(yù)測，就需要對用戶習慣的認識程度不斷加深，并對系統(tǒng)任務(wù)信息和策略歷史信息有較全面的統(tǒng)計。自適應(yīng)學習樹 ALT（Adaptive Learning Tree）策略、PBAL（Probability Based ALT）策略，以及基于 AR（Auto Regressive）模型的預(yù)測控制反饋 PCF（Predictive Control Feedback）預(yù)測策略等都是優(yōu)化過的預(yù)測策略。PBALT 策略利用概率反映準確率，加強了分樹之間的關(guān)聯(lián)性和 ALT方法的學習能力；但這種策略的邊界條件限制制約了它的應(yīng)用范圍。PCF 預(yù)測策略的自適應(yīng)性是通過其反饋模塊來控制的； 但預(yù)測策略本身在針對非平穩(wěn)狀態(tài)的任務(wù)請求時效率不穩(wěn)定，同時，預(yù)測策略基本只考慮系統(tǒng)有一個工作模式，這些都限制了它的應(yīng)用。
基于隨機的電源管理策略是一種具有不確定性的優(yōu)化策略， 這種不確定性源于系統(tǒng)模型的抽象性?；陔S機的電源管理策略不僅何時進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而且還轉(zhuǎn)換到哪一工作模式，因此適用于多工作模式的系統(tǒng)設(shè)備。它將動態(tài)電源管理看作是隨機化問題，而不像基于預(yù)測的電源管理策略那樣通過預(yù)測的方法消除任務(wù)請求的不確定性?；?span lang="EN-US"> CTMDP（連續(xù)時間馬爾可夫決定過程）的隨機決定動態(tài)電源管理策略給出了系統(tǒng)電源管理的一個化的決定，但這種化是在一個具有不確定性的模型基礎(chǔ)上的， 即這種算法所得到的化的決策只能得到系統(tǒng)的性能和功耗的一個預(yù)期值，并不能保證在特定的系統(tǒng)設(shè)備中適用，而且馬爾可夫過程數(shù)學模型的建立也是需要仔細分析的。
2 基于決策的電源管理策略
由以上對系統(tǒng)電源管理策略的分析可知， 系統(tǒng)設(shè)備的電源管理貫穿系統(tǒng)設(shè)備的各個狀態(tài)，因此應(yīng)提出一種電源管理方法，將多種電源管理策略結(jié)合起來對系統(tǒng)功耗進行協(xié)同管理。該電源管理構(gòu)架中有一個策略集合，每個策略都有自己的優(yōu)先級，按需求使用各個策略來進行多策略電源管理。但這種構(gòu)架也存在問題： 首先復雜系統(tǒng)的任務(wù)很可能多種多樣， 而且電源管理策略針對不同的任務(wù)其降功效率也不同， 僅用電源管理策略的優(yōu)先級來決定使用電源管理策略，缺乏針對性；此外各策略信息應(yīng)該在執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)的過程中得到統(tǒng)計， 并自適應(yīng)地改變其優(yōu)先級。
信息檢測模塊： 用于檢測系統(tǒng)狀態(tài)信息和新到的任務(wù)信息。 任務(wù)信息統(tǒng)計模塊： 用于統(tǒng)計系統(tǒng)設(shè)備所執(zhí)行的任務(wù)信息，并解釋成準確的任務(wù)信息參數(shù)。
策略集合模塊： 通過對系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息等進行動態(tài)的統(tǒng)計，計算電源管理策略的效率，更新電源管理策略信息并解釋成準確的電源管理策略參數(shù)。
決策模塊： 根據(jù)接收的任務(wù)和系統(tǒng)狀態(tài)信息，在策略集合中選擇的電源管理策略或者電源管理策略組，通過控制模塊對系統(tǒng)設(shè)備進行電源管理。
任務(wù)信息是實時接收的；系統(tǒng)狀態(tài)信息是在每次系統(tǒng)狀態(tài)改變時，由信息檢測模塊提供給決策模塊的；電源管理策略的信息指計算后的電源管理效率，以及電源管理策略適用的系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)。例如，當新任務(wù)到達后，必然有一種預(yù)測策略對此任務(wù)完成后的 Idle 狀態(tài)持續(xù)時間的預(yù)測高。電源管理策略控制期間，每一次決策的成功或失敗都會改變該電源管理策略的優(yōu)先加權(quán)參數(shù)。這樣決策模塊根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和任務(wù)信息，決定采用的電源管理策略或者電源管理策略組，使系統(tǒng)設(shè)備的各個部分得到的電源管理。
