CN102184005A - 一种动态电压和频率调节方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态电压和频率调节方法及装置，旨在通过监控CPU的指令/数据缓存缺失率以及CPU与各个加速器或者协处理器之间的命令交互频率，根据最优频率估计模型，估计出最优的控制频率，然后依据最优频率在CPU可用的频率/电压控制点集合中，选择最合适的频率电压控制点，确定CPU应使用的频率和电压，从而使系统的总体功耗最小。

Description

一种动态电压和频率调节方法及装置
技术领域
本发明涉及动态电压和频率调节，尤其是一种根据CPU系统可选的频率集合，选择运行频率和电压使得系统的总体功耗最小的方法及装置。
背景技术
动态电压和频率调节（DVFS，Dynamic Voltage and Frequency Scaling）方法是减少芯片系统功耗的有效方法。在CPU比较空闲的时候减少CPU运行频率，并减少CPU的运行电压，可以有效地减少CPU系统的功耗，减少大系统功耗。但是由于运行时间变长了，I/O，Memory以及其它外设的运行时间也长了，导致这些模块的功耗变大了，因此系统的最小功耗并不一定在频率/电压最低的时候。DVFS方法的难点在于，对于系统功耗的准确估计或者对于系统最优频率/电压控制点的选择。文献 Design and Implementation of a Critical Speed-Based DVFS Mechanism for the Android Operating System (IEEE Embedded and Multimedia Computing, 2010 5yh International Conference)中给出了通过存储器存取速度（MAR，Memory Access Rate）估计系统的最优控制频率fest，并且根据最优控制频率fest找到最合适的频率/电压控制点(fopt, Vopt)，其中MAR＝Ncache_miss / Ninstruct（Ncache_miss是在一个监控期间内指令/数据缓存的缺失总数，Ninstruct在一个监控期间内指令执行总数）。但是上述文献在其目标频率的估计模型中仅考虑CPU了指令/数据缓存缺失率（Cache Miss Rate），并没有考虑那些需要各种加速器或者协处理器运行的应用场景。
发明内容
为了克服目标频率的估计模型不够完善的问题，本发明提供一种动态电压和频率调节方法及装置，通过监控CPU的指令/数据缓存缺失率以及CPU与各个加速器或者协处理器之间的命令交互频率，根据最优频率估计模型，估计出最优的控制频率，然后依据最优频率在CPU可用的频率/电压控制点集合中，选择最合适的频率电压控制点(fopt, Vopt)，确定CPU应使用的频率和电压，从而使系统的总体功耗最小。
本发明提供了一种动态电压和频率调节方法，包括如下步骤：
步骤一，统计一个监控周期内CPU运行指令数Ninstruction，CPU指令/数据缓存缺失数NI_miss，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互次数Ni, command，i=1，2，3，……。
步骤二，计算CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct = NI_miss/Ninstruction，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad = Ni, command/ Ninstruction，i=1，2，3，……。
步骤三，根据CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct ，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad，利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值。
步骤四，用估计出来的最优频率在CPU可选的频率/电压控制点集合中，找到最优控制点；一般，可在CPU最优频率/电压控制点集合中找到满足f≥fest的最低频率，该最低频率对应的频率/电压控制点即为最优频率/电压控制点；
步骤五，根据找到的最优频率/电压控制点确定当前应使用的频率和电压。
所述最优频率的估计值采用最优频率估计模型进行计算得到，表示为RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad的函数 ，采用线性模型或者多项式模型中的一种。
可选地，所述最优频率估计模型采用多项式模型用下式表示：
Figure 519924DEST_PATH_IMAGE001
模型参数通过如下方法确定：
选定一定的测试程序集，对测试集中的每个测试用例，通过实验找出每个测试用例对应的最优的频率/电压控制点，以及相应的缺失率RIstruct 和交互率Ri,commad， 利用实验获取到的数据，估计最优频率估计模型相关的参数可采用最小二乘法进行参数估计，并将该参数存储起来供实际运行时使用。
可选地，根据监控到的该监控周期的数据Rcurrent，以及历史数据Rlast，对下一个运行监控周期的数据Rnext进行预测
Figure 843589DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 154485DEST_PATH_IMAGE003
，并利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值；并需对CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率R1,commad, R2,commad … RN,commad分别进行预测。
可选地，直接根据最近一个监控周期的CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct, CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率R1,commad, R2,commad … RN,commad，利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值。
本发明还提供了一种动态电压和频率调节装置，该装置包括CPU，电压/频率生成模块，指令数据缓存模块，多个加速器，并在CPU和指令/数据缓存，以及各个协处理器或者加速器之间增加一个命令次数统计计数器，用于统计CPU与该指令/数据缓存以及协处理器或者加速器之间的命令交互次数。
所述命令次数统计计数器统计CPU运行指令数Ninstruction，CPU指令/数据缓存缺失数NI_miss，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互次数Ni, command，i=1，2，3，……；
然后由CPU计算CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct = NI_miss/Ninstruction，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad = Ni, command/ Ninstruction，i=1，2，3，……；并根据CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct ，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad，计算出最优频率的估计值；接着用估计出来的最优频率在CPU可选的频率/电压控制点集合中，找到满足f≥fest的最低频率，该最低频率对应的频率/电压控制点即为最优频率/电压控制点，并确定当前应使用的频率和电压，向电压/频率生成模块发出控制信号；
最后由电压/频率生成模块生成相应的电压和频率供CPU使用。
所述最优频率的估计值可根据可最优频率估计模型计算得到，其可表示为RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad的函数，可采用线性模型或者多项式模型中的一种。
可选地，最优频率估计模型采用多项式模型用下式表示：
Figure 736645DEST_PATH_IMAGE001
模型参数通过如下方法确定：
选定一定的测试程序集，对测试集中的每个测试用例，通过实验找出每个测试用例对应的最优的频率/电压控制点，以及相应的缺失率RIstruct 和交互率Ri,commad， 利用实验获取到的数据，估计最优频率估计模型相关的参数可采用最小二乘法进行参数估计，并将该参数存储起来供实际运行时使用。
可选地，可根据监控到的该监控周期的数据Rcurrent，以及历史数据Rlast，对下一个运行监控周期的数据Rnext进行预测
Figure 957542DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 311163DEST_PATH_IMAGE003
，并利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值；并需对CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率R1,commad, R2,commad … RN,commad分别进行预测。
可选地，直接根据最近一个监控周期的CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct, CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率R1,commad, R2,commad … RN,commad，利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值。
与现有技术相比较，本发明通过监控CPU的指令/数据缓存缺失率以及CPU与各个加速器或者协处理器之间的命令交互频率，根据最优频率估计模型，估计出最优的控制频率，然后依据最优频率在CPU可用的频率/电压控制点集合中，选择最合适的频率电压控制点，确定CPU应使用的频率和电压，从而使系统的总体功耗最小。
附图说明
图1是本发明提供的动态电压和频率调节方法的一个实施方式的流程图。
图2是本发明提供的动态电压和频率调节装置的一个实施方式的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式进行说明。
请参阅图1所示，图1是本发明提供的动态电压和频率调节方法的一个实施方式的流程图。该方法包括如下步骤：
步骤S101，统计一个监控周期内CPU运行指令数Ninstruction，CPU指令/数据缓存缺失数NI_miss，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互次数Ni, command，i=1，2，3，……。
步骤S102，计算CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct = NI_miss/Ninstruction，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad = Ni, command/ Ninstruction，i=1，2，3，……。
步骤S103，根据CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct ，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad，利用最优频率（fest）估计模型计算出最优频率的估计值。
计算最优频率的估计值的一个实施例为：根据监控到的该监控周期的数据Rcurrent（包括RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad），以及历史数据Rlast（前几个监控周期的RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad），对下一个运行监控周期的数据Rnext（RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad）进行预测
Figure 735453DEST_PATH_IMAGE002
，，并利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值。
计算最优频率的估计值的另一个实施例为：直接根据最近一个监控周期的数据RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad，利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值。
最优频率的估计值是RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad的函数，
fest = fun (RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad )
一般，最优频率估计模型可以采用线性模型或者多项式模式，可参考如下公式：
Figure 540915DEST_PATH_IMAGE001
模型参数可以通过如下方法确定：
选定一定的测试程序集，对测试集中的每个测试用例，通过实验找出每个测试用例对应的最优的频率/电压控制点，以及相应的缺失率RIstruct 和交互率Ri,commad， 利用实验获取到的数据，估计最优频率估计模型相关的参数可采用最小二乘法进行参数估计，并将该参数存储起来供实际运行时使用。
步骤S104，用估计出来的最优频率fest在CPU可选的频率/电压控制点集合中，找到最优频率/电压控制点，一般可以找到满足f≥fest的最低频率，该最低频率对应的频率/电压控制点(fopt, Vopt)即为最优频率/电压控制点。
步骤S105，根据找到的最优频率/电压控制点确定当前应使用的频率和电压。
请参阅图2所示，图2是本发明提供的动态电压和频率调节装置的一个实施方式的结构图。该装置包括CPU，电压/频率生成模块，指令数据缓存模块，多个加速器，并在CPU和指令/数据缓存，以及各个协处理器或者加速器之间增加一个命令次数统计计数器，用于统计CPU与该指令/数据缓存以及协处理器或者加速器之间的命令交互次数。
在一个监控周期内，命令次数统计计数器统计CPU运行指令数Ninstruction，CPU指令/数据缓存缺失数NI_miss，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互次数Ni, command，i=1，2，3，……；然后由CPU计算CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct = NI_miss/Ninstruction，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad = Ni, command/ Ninstruction，i=1，2，3，……；并根据CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct ，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad，利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值；最后用估计出来的最优频率fest在CPU可选的频率/电压控制点集合中，找到最优频率/电压控制点，并确定当前应使用的频率和电压，向电压/频率生成模块发出控制信号；最后由电压/频率生成模块生成相应的电压和频率供CPU使用。
计算最优频率的估计值的一个实施例为：根据监控到的该监控周期的数据Rcurrent（包括RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad），以及历史数据Rlast（前几个监控周期的RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad），对下一个运行监控周期的数据Rnext（RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad）进行预测
Figure 721230DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 6718DEST_PATH_IMAGE003
，并利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值。
计算最优频率的估计值的另一个实施例为：直接根据最近一个监控周期的数据RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad，利用最优频率估计模型计算出最优频率的估计值。
最优频率的估计值采用最优频率估计模型计算得到，可表示为RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad的函数，
fest = fun (RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad )
一般，最优频率估计模型可以采用线性模型或者多项式模式，可参考如下公式：
Figure 150254DEST_PATH_IMAGE001
模型参数可以通过如下方法确定：
选定一定的测试程序集，对测试集中的每个测试用例，通过实验找出每个测试用例对应的最优的频率/电压控制点，以及相应的缺失率RIstruct 和交互率Ri,commad， 利用实验获取到的数据，估计最优频率估计模型相关的参数可采用最小二乘法进行参数估计，并将该参数存储起来供实际运行时使用。
与现有技术相比较，本发明通过监控CPU的指令/数据缓存缺失率以及CPU与各个加速器或者协处理器之间的命令交互频率，根据最优频率估计模型，估计出最优的控制频率，然后依据最优频率在CPU可用的频率/电压控制点集合中，选择最合适的频率电压控制点，确定CPU应使用的频率和电压，从而使系统的总体功耗最小。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种动态电压和频率调节控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，统计一个监控周期内CPU运行指令数Ninstruction，CPU指令/数据缓存缺失数NI_miss，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互次数Ni,command，i=1，2，3，……；
步骤二，计算CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct = NI_miss/Ninstruction，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad = Ni, command/ Ninstruction，i=1，2，3，……；
步骤三，根据CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct ，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad，计算出最优频率的估计值；
步骤四，用估计出来的最优频率在CPU可选的频率/电压控制点集合中，找到最优频率/电压控制点；
步骤五，根据找到的最优频率/电压控制点确定当前应使用的频率和电压。
2.如权利要求1所述的动态电压和频率调节方法，其特征在于，所述最优频率的估计值采用最优频率估计模型计算得到，即最优频率的估计值是RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad的函数。
3.如权利要求2所述的动态电压和频率调节方法，其特征在于，所述最优频率估计模型采用线性模型或者多项式模型中的一种。
4.如权利要求3所述的动态电压和频率调节方法，其特征在于，所述最优频率估计模型采用多项式模型用下式表示：
模型参数通过如下方法确定：
选定一定的测试程序集，对测试集中的每个测试用例，通过实验找出每个测试用例对应的最优的频率/电压控制点，以及相应的缺失率RIstruct 和交互率Ri,commad， 利用实验获取到的数据，估计最优频率估计模型相关的参数可采用最小二乘法进行参数估计，并将该参数存储起来供实际运行时使用。
5.如权利要求2所述的动态电压和频率调节方法，其特征在于，所述最优频率估计值根据监控到的该监控周期的数据Rcurrent，以及历史数据Rlast，对下一个运行监控周期的数据Rnext进行预测
Figure 505180DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 222600DEST_PATH_IMAGE003
，并利用最优频率估计模型计算得到。
6.如权利要求5所述的动态电压和频率调节方法，其特征在于，所述预测需对CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率R1,commad, R2,commad … RN,commad分别进行。
7.如权利要求2所述的动态电压和频率调节方法，其特征在于，所述最优频率估计值直接根据最近一个监控周期的CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct, CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率R1,commad, R2,commad … RN,commad，利用最优频率估计模型计算得到。
8.如权利要求1所述的动态电压和频率调节方法，其特征在于，所述根据最优频率找到最优频率/电压控制点的方法是：在CPU最优频率/电压控制点集合中找到满足f≥fest的最低频率，该最低频率对应的频率/电压控制点即为最优频率/电压控制点。
9.一种动态电压和频率调节装置，该装置包括CPU，电压/频率生成模块，指令数据缓存模块，多个加速器，其特征在于，在CPU和指令/数据缓存，以及各个协处理器或者加速器之间增加一个命令次数统计计数器，用于统计CPU与该指令/数据缓存以及协处理器或者加速器之间的命令交互次数。
10.如权利要求9所述的动态电压和频率调节装置，其特征在于，所述命令次数统计计数器统计CPU运行指令数Ninstruction，CPU指令/数据缓存缺失数NI_miss，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互次数Ni, command，i=1，2，3，……；
然后由CPU计算CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct = NI_miss/Ninstruction，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad = Ni, command/ Ninstruction，i=1，2，3，……；并根据CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct ，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率Ri,commad，计算出最优频率的估计值；接着用估计出来的最优频率在CPU可选的频率/电压控制点集合中，找到最优频率/电压控制点，并确定当前应使用的频率和电压，向电压/频率生成模块发出控制信号；
最后由电压/频率生成模块生成相应的电压和频率供CPU使用。
11.如权利要求10所述的动态电压和频率调节装置，其特征在于，所述CPU模块计算最优频率的估计值时采用最优频率估计模型，即最优频率的估计值是RIstruct, R1,commad, R2,commad … RN,commad的函数。
12.如权利要求11所述的动态电压和频率调节装置，其特征在于，所述最优频率估计模型采用线性模型或者多项式模型中的一种。
13.如权利要求12所述的动态电压和频率调节装置，其特征在于，所述最优频率估计模型采用多项式模型用下式表示：
Figure 804760DEST_PATH_IMAGE001
模型参数通过如下方法确定：
选定一定的测试程序集，对测试集中的每个测试用例，通过实验找出每个测试用例对应的最优的频率/电压控制点，以及相应的缺失率RIstruct 和交互率Ri,commad， 利用实验获取到的数据，估计最优频率估计模型相关的参数可采用最小二乘法进行参数估计，并将该参数存储起来供实际运行时使用。
14.如权利要求11所述的动态电压和频率调节装置，其特征在于，所述最优频率的估计值根据监控到的该监控周期的数据Rcurrent，以及历史数据Rlast，对下一个运行监控周期的数据Rnext进行预测
Figure 556816DEST_PATH_IMAGE002
，，并利用最优频率估计模型计算得到。
15.如权利要求14所述的动态电压和频率调节装置，其特征在于，所述预测需对CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct，CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率R1,commad, R2,commad … RN,commad分别进行。
16.如权利要求11所述的动态电压和频率调节装置，其特征在于，所述最优频率估计值直接根据最近一个监控周期的CPU指令/数据缓存缺失率RIstruct, CPU 和各个协处理器或者加速器之间的命令交互率R1,commad, R2,commad … RN,commad，利用最优频率估计模型计算得到。
17.如权利要求10所述的动态电压和频率调节装置，其特征在于，所述CPU根据最优频率估计值在最优频率/电压控制点集合中找到满足f≥fest的最低频率，该最低频率对应的频率/电压控制点即为最优频率/电压控制点。
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