CN1818829A - 内核动态调节处理器频率的节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过操作系统内核动态调节处理器频率的节能方法。本发明采用内核在运行过程中通过收集运行时系统信息，然后通过动态频率管理技术设置相应的运行频率来进行节能。利用操作系统内核对整个系统的控制能力和性能监视器对操作系统性能的即时了解进行节能。操作系统内核根据运行时某一时问段内性能监视器对操作系统性能的收集，然后通过动态频率管理技术对处理器进行相应的配置，设置成更加有利于系统节能的运行频率。本发明提出了一种内核动态调节处理器频率的方法，对原来的节能方法做出改进，使得内核对处理器的频率调节更加灵活，更加实效，能够降低系统运行时消耗的能量。

Description

内核动态调节处理器频率的节能方法

技术领域

本发明涉及操作系统内核节能的方法，特别是涉及一种内核动态调节处理器频率的节能方法。

背景技术

2005年世界半导体业的持续稳定增长将带动全球电子信息产品市场的进一步发展，通信、消费类电子及汽车电子领域将成为先导。3G手机的视频多媒体等各种新应用对传统的电池寿命和电源管理技术提出了更高的要求和更严峻的挑战。而且，随着中国汽车业的迅猛发展，汽车电子中的电源技术问题同样迫使工程师们拿出更好的解决方案。高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性、小体积和低成本等是今后模块电源和便携式电源管理产品的发展方向。同时，业界也在期待各种高新技术，包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面贴装技术的进一步突破。所以，任何设备基于其自身的特有本质以及市场对其的更高需要都已经对电源技术提出更高的要求。

随着人们生活水平的不断提高，便携式设备的发展将会越来越快。便携式消费类电子设备市场是最近几年才成长起来的，特别是手机市场突飞猛进的发展速度，更使很多的厂商们趋之若鹜。随着用户需求不断增加，智能手机、便携设备中新增加的音视频、数据输入、无线连接等功能将对电源管理形成新的需求。便携式产品日益丰富的功能给电源管理IC带来越来越多的挑战。未来电源管理将向高集成度、开关、SOC发展，电源管理IC的发展是集设计、工艺、封装为一体的综合发展体系，需要考虑多方面的因素。很难有一个万全的解决方案。例如在无线便携式产品中，就要权衡开关频率的提升和效率的关系，也要考虑电源噪声对射频的干扰。

在便携式嵌入式设备电源管理领域，目前的困难在于既要满足便携式终端对电源供电的要求，又要做到占用空间小、重量轻和供电时间更长。现在嵌入式设备的功能变得越来越强大，功能也越来越丰富。随着嵌入式设备功能越来越多，用户对嵌入式设备电池的能量需求也越来越高，现有的锂离子电池已经越来越难以满足消费者对正常使用时间的要求。对此，业界主要采取两种方法，一是开发具备更高能量密度的新型电池技术，如燃料电池，在可以预见的5年内，电池技术不可能有很大的突破；二是在电池的能量转换效率和节能方面下功夫。在目前新的高能电池技术(如燃料电池)仍不成熟的情况下，下一代手持设备的电源管理只能从提高电源利用率和降低功耗这二个方面着手。如何延长电池的使用寿命，以及尽量减少电池能量的消耗已经成为嵌入式领域的一个研究热点。

在操作系统领域，现在主要的电源管理方法是利用操作系统内核，动态的调整系统处理器和总线的频率，降低系统的整体能耗。而且系统可以通过动态频率指令改变系统状态，是系统处于低功耗状态，以达到节能的目的。

操作系统可以很好的管理整个系统的能耗，但是对特定的应用不了解，不能针对特定的应用采用贴切的方法节能，在特定的运行时间段内做出比较好的系统资源调度，缺少对运行系统的快速反应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内核动态调节处理器频率的节能方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

1)时间段收集系统信息，得到目的频率

内核在系统运行时，通过系统内部的性能监视单元PMU，分时间段收集系统原始数据，包括系统执行指令数，时间段内时钟周期，事件段内缓存缺失次数，来得到处理器性能的效率，时间段内每个缓存缺失发生时的平均执行指令数，时间段内每微秒的平均执行指令数，再根据内核定义的分隔，系统所能忍受的减速比和基准数据，得到内核的目的频率；

2)直接与寄存器交互操作

内核通过比较现有频率和目的频率，得到是否需要动态调频，内核调节频率是通过直接与控制处理器频率寄存器进行交互操作来进行的，不需要通过调用中间过程，这种方法更直接，更实效，在调节完频率后便能够马上看到调频结果；

3)动态调频管理

系统继续运行，在下一个时间段继续这个操作，实现实时调整，操作系统内核根据快速缓存失效数动态的调整系统处理器的运行频率，使处理器处理数据的能力和数据传输的能力相匹配；

程序在运行过程中，操作系统内核根据运行时不同时间段内的快速缓存失效数和运行指令数，根据基准数据，对当前系统资源效率的比较分析，得到目的频率，利用动态调频技术动态调整系统的频率，使处理器的空闲时间减少，减少处理器浪费的能耗，达到节能的目的。

所述的间隔是内核按指数规律增长划分的，将其分为29个间隔。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

本发明利用操作系统内核对整个系统的控制能力和性能监视器对操作系统性能的即时了解进行节能。操作系统内核根据运行时某一时间段内性能监视器对操作系统性能的收集，然后通过动态频率管理技术对处理器进行相应的配置，设置成更加有利于系统节能的运行频率，然后操作系统内核将根据相邻的下一个时间段内性能监视器所收集的信息，再继续这个过程。

(1)动态性。在系统中运行时，操作系统内核根据时间段内收集得到的系统性能信息，对信息进行分析，然后动态即时的调整系统的频率。

(2)实效性。操作系统内核通过直接交互操作系统寄存器来修改处理器频率，不需要通过调用中间过程，这种方法更直接，更实效，在调节完频率后便能够马上看到调频结果。

(3)即时性。在一个可以定义的时间段内，系统内核就可以根据性能监视单元收集来的信息对处理器做出调频反应，即时的体现调频结果。在经过反复的认证，这个方法可以很好的到达动态调频的结果，达到节能的目的。

附图说明

图1是对快速缓存失效数的级别划分；

图2是本发明的系统执行过程；

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

具体实施方式是在一个时间段内，性能监视器通过坚实系统性能得到所需要的信息，通过计算和判断，得到满足系统运行，达到更好的节能效果的目的频率，在通过设置处理器寄存器使处理器运行在目的频率上。加上本发明后整个系统的完整运行过程如图2所示，本发明的流程图过程如图3所示，本发明是对内核的节能方法的改进，下面更详细的说明这个过程。

第一步，内核通过收集系统信息，得到目的频率。操作系统里面有两个性能监视计数器PMN0和PMN1，用来针对系统某类事件进行计数，所监视的事件在寄存器PMNC里面进行设置，在PMN0和PMN1溢出时系统将产生一个中断，PMNC也是一个32位的寄存器，它可以对所有的计数器进行归零操作，还可以对PMN0和PMN1所要监视的事件进行设置，这两个计数器可以监视需要从外存取指的指令缺失，指令快表TLB缺失，数据快表TLB缺失，执行指令数，不包括缓存cache操作的数据缓存访问，不包括缓存cache操作的数据缓存缺失等共16种事件，另外，处理器中还有一个时钟计数器CCNT，用来计算某段时间内的时钟数。现在系统内核可以得到在某段时间内系统所执行的指令数instructions，这段时间内的总时钟数ticks以及时间段内的缓存缺失次数cachemisses等系统信息，那么内核如何根据这些值来得到所需要的目的频率呢。根据所得到的值，可以计算出

其中instructions表示在时间段内系统所执行的指令数，ticks表示时间段内的总时钟数，

代表处理器性能的效率，也可以得到 其中cache_misses表示时间段内的缓存缺失次数，

则表示对于一个给定的处理器的存储界限的度。所以每段时间内，内核将读取一下三个事件的数值：处理器时钟数，执行指令书以及缓存缺失发生的次数。从这三个数值中，内核可以计算出在这段时间内所经过的时间，

以及 的比率，其中cycle表示时间段内的周期数，microsecond表示时间段内的微秒数，然后分别按照下面公式进行计算：

$\mathrm{avgInsnsPerCacheMiss}=\frac{(n-1)\·\mathrm{avgInsnsPerCacheMiss}+\mathrm{currentInsnsPerCacheMiss}}{n}$

$\mathrm{avgInsnsPerMicroSec}=\frac{(n-1)\·\mathrm{avgInsnsPerMicroSec}+\mathrm{currentInsnsPerMicroSec}}{n}$

其中等号左边的avgInsnsPerCacheMiss表示在下一步用作比较的作为当前时间段内每个缓存缺失发生时的平均执行指令数的值，等号右边的avgInsnsPerCacheMiss表示前n个时间段内每个缓存缺失发生时的平均执行指令数，currentInsnsPerCacheMiss表示当前时间段内真实得到的每个缓存缺失发生时的平均执行指令数，等号左边的avgInsnsPerMicroSec表示内核在下一步用作比较的作为时间段内每微秒的平均执行指令数的值，等号右边的avgInsnsPerCacheMiss表示前n个时间段内每微秒的平均执行指令数，currentInsnsPerCacheMiss表示当前时间段内真实得到的每微秒的平均执行指令数，这里内核将n设置为8。可以把选取目的频率的算法描述成f：(max Slowdown，avgInsPerCacheMiss)αfrequency.f表示函数，max Slowdown表示系统得最大减速允许，frequency表示系统频率，也就是说从最大所能忍受的速度降低值和

的值来得到最小频率。这个计算是基于性能减速理论，根据当前系统频率，来得到一个新的值，performance_(f，c)＝lastInsnsPerMicrosecond，这里f表示的是处理器频率，c为数据缓存的效率，lastInsnsPerMicrosecond表示上一个时间段内每微秒执行的指令数。对于performance_(f0，c0)和performance_(f1，c1)，如果c0＝c1，那么就能近似评估在缓存效率c0时改变到f0频率的减速结果。两个缓存效率的值是否近似相等，通过将的值对应到按指数规律增长的间隔中得到，如果两次

的值在同一个间隔中，那么，内核认为这两次的缓存效率为近似相等。内核将其分为29个间隔，如图1所示，选取这个数字并没有什么特别的原因，但是它已经足够用来区分程序行为的缓存效率。左边的间隔可以看成是处理器由于数据缓存缺失产生很多存储访问，靠近右边的间隔可以看成是处理器只有很少甚至没有数据缓存缺失。内核需要设定一个可以容忍的减速值，约定只有在 $\mathrm{tolerable}\_\mathrm{slowdown}\≥\frac{f}{f_{\mathrm{now}}}-1,$ tolerable_slowdown表示系统所能忍受的减速值，f表示可以用作目的频率的频率，f_now表示当前频率，一般内核将tolerable_slowdown设为8％。通过这些计算，系统内核就可以得到所需要的目的频率。总结来说，只有缓存效率近似相等的最小频率才能用来取代现在的频率。这个过程对应于图3中的前面三个步骤。

第二步，设置目的频率。内核根据前面得到的目的频率，直接对系统内控制频率的寄存器CCCR进行配置，修改之后再配置寄存器CCLKCFG的FCS位使内核的频率设置生效。内核是通过地址来直接修改寄存器的，所以在通过地址来对寄存器操作的时候，需要注意实地址和虚地址的转换，根据内核版本和处理器的不同会有不同的转换方式。这个过程对应于图3中的调频过程。

第三步，系统继续运行，在下一个时间段继续这个操作，实现实时调整，内核根据每段时间段内系统信息的变化，得到不同的目的频率，动态改变，以达到节能目的。也就是说，系统不断的循环执行这个过程，不断的对当前处理器频率做出修正，达到节能目的。本过程对应于图3中的最后过程，即循环执行。

举例来说：假设系统内河现在拥有六组格式为(frequency，instructions_per_cache_miss，instructions_per_microsecond)的数据。

E₁＝(400MHZ，117，26.1)E₂＝(300MHZ，141，24.5)E₃＝(200MHZ，123，22.2)

E₄＝(300MHZ，270，45.8)E₅＝(200MHZ，254，40.3)E₆＝(400MHZ，318，63.2)

假设400MHZ为最大频率，以及目前

为140，处于间隔2中，因为E₄，E₅，E₆的

为270，254，318都不在间隔2中，而E₂，E₃的 为141，123都处在间隔2中，按照前面的介绍，内核认为E₁和E₂，E₃的缓存效率相同，所以在目的频率的考虑范围之内。然后内核就按照下面的计算来估计减速：

300MHZ：slowdown＝26.1/24.5-1＝0.065(6.5％)

200MHZ：slowdown＝26.1/22.2-1＝0.176(17.6％).

然后内核通过将这个值与8％比较，得到满足条件的目的频率也就是300M。然后内核通过直接设置处理器寄存器来得到调频目的，再在下一个时间段继续这个过程，实现动态调频。

Claims (2)

1.一种内核动态调节处理器频率的节能方法，其特征在于：

1)时间段收集系统信息，得到目的频率

内核在系统运行时，通过系统内部的性能监视单元PMU，分时间段收集系统原始数据，包括系统执行指令数，时间段内时钟周期，事件段内缓存缺失次数，来得到处理器性能的效率，时间段内每个缓存缺失发生时的平均执行指令数，时间段内每微秒的平均执行指令数，再根据内核定义的分隔，系统所能忍受的减速比和基准数据，得到内核的目的频率；

2)直接与寄存器交互操作

内核通过比较现有频率和目的频率，得到是否需要动态调频，内核调节频率是通过直接与控制处理器频率寄存器进行交互操作来进行的，不需要通过调用中间过程，这种方法更直接，更实效，在调节完频率后便能够马上看到调频结果；

3)动态调频管理

系统继续运行，在下一个时间段继续这个操作，实现实时调整，操作系统内核根据快速缓存失效数动态的调整系统处理器的运行频率，使处理器处理数据的能力和数据传输的能力相匹配；

程序在运行过程中，操作系统内核根据运行时不同时间段内的快速缓存失效数和运行指令数，根据基准数据，对前系统资源效率的比较分析，得到目的频率，利用动态调频技术动态调整系统的频率，使处理器的空闲时间减少，减少处理器浪费的能耗，达到节能的目的。

2.根据权利要求1所述的一种通过操作系统内核动态调节处理器频率的节能方法，其特征在于：所述的间隔是内核按指数规律增长划分的，将其分为29个间隔。