基于自适应DVFS的SOC低功耗技术研究

从当前嵌入式消费电子产品来看，媒体处理与无线通信、3D游戏逐渐融合，其强大的功能带来了芯片处理能力的增加，在复杂的移动应用环境中，功耗正在大幅度增加。比如手机，用户往往希望待机时间、听音乐时间，以及看MPEG4时间能更长。在这样的背景下，如何降低嵌入式芯片的功耗已迫在眉睫。

1低功耗技术分析

表1给出低功耗技术分析表。由表1可见，随着沟道宽度的减少，单位面积上的动态功耗和静态功耗都在不断增加。

式中：aCeffVdd2fclock是动态功耗部分。其中a为当前频率下的翻转率；Ceff为节点负载电容；Vdd为工作电压；fclock为工作频率。IleakVd是静态功耗部分，其中Ileak为漏电流。由式(1)可知，降低芯片功耗所需要降低的参数。

1.1降低动态功耗的手段

1.1.1降低a

降低a有两种方法：一是通过工具优化逻辑结构来降低a；二是通过编码方式来实现低的a，例如采用翻转码。实际上假设每一次翻转都是有效和最优的，则afclock可视为一常数，但真实情况并非如此，每次时钟驱动下的设计往往存在冗余，同时对于某种额定的上层任务本身，也可能不适合软硬件划分。对于fclock，若不使用该模块时，可直接gated该模块。这种gated有三种手段：

(1)在时钟产生端进行gated，由软件配置。该手段要求在前端设计这样的功能，包括正向时钟gated和反相时钟gated，其结构是对称的。实际上设计时，器件lib会提供标准的gated单元，这使得前端设计变得较为容易。

(2)在模块中进行硬件判断，以gated clock时钟。例如，在AHB总线上有一块memory，作为AHB从动装置。由于软件频繁访问该模块，因此若采用软件频繁gated，则导致操作不连续；若将模块设计在内部，则因AHB的HSEL信号变高，下一拍时钟在模块内部被打开，这样即可节省时钟翻转的功耗。尤其对于memory来说，时钟翻转和不翻转的功耗差别较大。

(3)利用综合工具在近端加gated，而无需在前端设计。

理论上，单纯的频率下降，并不能带来功耗的变化，因为工作量一定，频率的下降只能带来运行时间的增加，但是芯片功耗中，时钟树的功耗几乎占去30％，所以在合适降低频率时，会减少时钟树上的功耗。

1.1.2降低Ceff

Ceff的降低因工艺选择的不同而存在较大的差别。因此，选择合适的工艺更有利于降低Vdd，这样可使功耗得到平方关系的下降。然而，基于成本、可靠性及商务等考虑，只能选择某一种工艺，如130 nm工艺，可通过DVFS来改变电压。它的核心是：

(1)某种工艺下的library可以在一定电压范围内工作正常。

(2)由于模块或系统工作在不同任务下所需的工作频率不同，因此可以计算DVFS的收益。假设一个系统可以进行MP3或MP4的解码任务，这样在MP3解码时，所需频率只有100 MHz；在MP4解码时，所需频率是200 MHz。通过STA分析，在1.1 V电压下工作时，系统可运行频率为100 MHz；在1.3 V电压下工作时，系统可运行频率为200 MHz，这样便可采用DVFS技术调节。假设翻转率、电容都没有发生变化，则在两种不同工作模式下，所需功耗下降64％。当然，前面的数值都是假设的，实际情况并非这么理想。

1.2降低静态功耗的手段

降低静态功耗可采用Multi-Vdd，Multi-Vth两种方法，在此不做详述。

2 DVFS系统

如果DVFS是基于CPU自身OS调度的需求，则在自身频率需要变化时才进行电压变化，此时可认为是一个开环的DVFS技术。比如说，Windows Mobile中的OEMidle进程就提供了一个根据CPU占用率来调节CPU频率和电压的方式。但是，在采用开环方式调节时，需要足够的余量，同时需要软件，尤其是操作系统予以支持，这对软件来说也不是透明的。

对于一个闭环系统，则需要一个性能monitor，以监控性能，并根据性能变化，直接调节电压和频率。图1给出一个简单的自适应DVFS系统。

在该系统中，CPU是一个电压可变的power domain，称为CPU_subsys。然而，对于其他模块，则是另一个power domain，称为peri_subsys，其中包括外部memory接口(EMI)、媒体协处理器(MCP)、LCD控制器(LCDC)，以及与电压控制相关的PerformanceMonitor(PM)模块，用于对芯片性能进行正向监控；Power Controller(PC)模块用于在接受到PM的性能描述后计算得到控制参数，并传递给Power Supply(PS)模块，用于提供可变的电压Vdd_arm，同时arm_subsys与peri_subsys之间有Level shifter相隔。

对于PM模块，ARM可以通过总线进行配置，PM通过监测可变电压区的电流实现性能监控。对于处理MIPS需求比较高的操作，CPU空转时间变少，电流需求变小；对于处理MIPS要求比较低的操作，CPU执行密集操作，电流需求变大。

该设计核心在于如何使PM模块能根据某种算法来自适应地预测电流的需求，而且预测的响应时间、额外功耗都比较小，即达到适时、恰好的电压要求。对于自适应算法，可选取图2所示的简单前向线性预测。

3仿真实验与结果

图3给出系统模型。构造这样一个系统，使得测试将按事先在开发板上的运行给定benchmark程序。测试得到的功耗参数，则按CPU负载折算成为归一的nop和mac两种类型指令程序，这两种指令在测试向量中间或分布。CPU行为模型执行相关程序，该模型只能取指令，执行2级流水。对于nop操作，在执行阶段进行nop；对于mac操作，在执行阶段对固定数据进行mac，这样即可简化设计。CPU BM采用Verilog进行编写。CPU有一条AHB总线，对memory进行访问控制。MEM模块采用ahb接口，存放编译好的二进制指令，并固定频率。

PM Model对CPU BM的翻转率进行monitor，在监控各阶段的翻转率后，作为输入流入自适应滤波器，计算得到所需的调节电压，给PS Model；同时输出翻转率，给PC Model。

PC Model将翻转率、时钟、电压作为输入，用于计算系统功耗。PS Model按照PM发出的电压调节指令进行电压频率调节。由于是rtl Model，所以电压调节是不可见的，只是按照实际情况，若电压从低到高，则先调节电压，再调节频率；反之亦反。

对于自适应选取的电压，可按图4予以实现。表2给出按照130 nm工艺实现电压时，CPU与总线频率的关系。在调节电压时，时钟被停顿若干时钟周期。假设电源网络的RC参数不变，则认为电压切换与切换电压差成正比，如图4所示。

对于前向预测的步长，按照实时操作系统的节拍，从1～50 ms进行调节。通过实践，可得图5所示不同步长下的不同功耗数值，同时每次切换的额外开销也计算在内。

由图5可见，对功耗、效率与调节步长都有一定的关系，合理选取调节步长后，可得效率与功耗的均衡。采用步长为25 ms时，功耗不到DVFS的25％，而效率损失只有1／3。由此可见，在CPU资源总负荷利用率为30％时，该步长相对较为合理。

4结语

提供了一种自适应动态电压频率调节方式，构造了与之对应的系统模型。在计算机上对该模型进行了模拟实验，得到一组均衡的前向预测参数。实验结果验证了自适应动态电压频率调节方式的有效性，给出了评估动态电压频率调节仿真的有效途径。