TWI470402B - 行動裝置ｃｐｕ工作頻率控制方法 - Google Patents

Description

行動裝置CPU工作頻率控制方法

本發明是關於一種行動裝置CPU工作頻率控制方法，特別是一種根據行動裝置當時使用資源的狀態，調整CPU工作頻率的控制方法。

行動裝置也已成為每個人每一天所需之必備工具。為了滿足使用者的不同需求，行動裝置已設計成可提供多種功能，且其硬體元件配合成為功能更強大且易於使用。當人們追求更優異的人機介面(human-machine interfaces)以及複雜的應用服務之時，下一代行動裝置將持續在計算、顯示及通信能力上顯著改進。然而，該等趨勢卻使行動裝置提供行動式應用需要消耗大量的能源，因此其使用時間面臨嚴苛的挑戰。

行動裝置所提供的應用中，越來越多行動式使用者沈迷於多媒體串流應用，以及經由社交網路社區傳播影音的功能。一份2010年的報告預測行動式數據流量在接下來幾年，每年將以倍數成長，並且在2014年時影像串流幾乎將佔數據流量66%。該等使用者的行為將明顯增加行動裝置的能源消耗，尤其是使用者強烈要求要更大、更高解析度的螢幕時，更是如此。最近對行動裝置使用者行為的研究指出，行動裝置大部分的電力使用消耗在提供行動裝置螢幕光源的背光源(back light)。除了背光源外，中央處理器(CPU)的耗電量也是一個問題。接收並播放線上或離線的影像串流時，中央處理器必須進行密集的運算操作。這種情況下，中央處理器的密集運作將縮短電池的使用時間，因而縮短行動裝置的使用時間。

關於中央處理器以及通訊元件之消耗功率問題，也有人已提出解決方法。有些建議根據例如中央處理器的工作負載以動態調整其工作頻率。這種解決方案可稱為動態電壓頻率調整(Dynamic voltage frequency scaling-DVFS)，以動態調整CPU供應底電壓及工作頻率的方式，節省CPU之耗電。然而，大多數的DVFS方法在行動裝置接收及/或播放一已知的影像串流時，確實可以達到節省耗電的效果，但是這些解決方案在使用者與行動裝置密集互動的操作模式下，則難以幫助節省能源。

近年也有關於行動裝置在與使用者密集互動的使用行為下，節省CPU耗電的方法提出。例如Yan等人提出之方法，是根據互動應用下，使用者能感受到的遲延程度，調整供應於CPU的電壓，以節約耗電。見Yan等人「User-Perceived Latency Driven Voltage Scaling for Interactive Applications」，刊載於Proc. of IEEE/ACM DAC，2005年，624-627頁。Mochocki等人發表使用在三維互動遊戲應用的技術，是使用根據特徵(signature-based)的預測技術，預測三維動畫中CPU的工作負載，以調整CPU工作頻率。見MOCHOCKI,B. C.等人之「Signature-Based Workload Estimation for Mobile 3D Graphics」，刊載於Proc. of IEEE/ACM DAC，2006年，592-597頁。Gu等人則提出根據最後數次的預測錯誤回饋資訊，建立控制理論機制。見Gu與Chakraborty，2008年：「Control Theory-Based DVS for Interactive 3D Games」，刊載於Proc. Of IEEE/ACM DAC，740-745頁。基本上，上述技術都是建基於動畫遊戲的畫框架構上，所提出來的節電調整技術，只能適用在特定的應用領域。至於可以使用在不限應用領域的動態調整技術，則少有論文提出。比較相關的技術包括Gurun與Krintz在2005年提出的AutoDVS技術，該技術將行動裝置的使用型態區分為一般應用型態及粗磨(course grain)應用型態，並使用預測技術預測之後的應用型態，以決定如何調整CPU的工作頻率。見Gurun,S.與Krintz,C. 2005年發表的「AutoDVS: An Automatic,General-Purpose,Dynamic Clock Scheduling System for Hand-Held Devices」，刊載於Proc. of IEEE/ACM EMSOFT，218-226頁。此外，尚有Pallipadi與Starikovskiy在2006年發表的Governor技術，是在各個取樣時段中，根據與CPU應用相關的數種規則，調整CPU的工作頻率。該技術經Linux 2.6採用，並援為Android系統1.5版及以後的標準。見Pallipadi,V.與Starikovskiy,A.，2006年：「The on-demand governor: Past,present and future」，刊載於Proc. ofLinux Symposium，Vol. 2，223-238頁。

在目前可見的文獻中，CPU工作頻率調整如果是根據預測決定，絕大部分的技術都是根據CPU過去的應用狀態，作為預測的依據。

目前有必要提供一種創新的行動裝置CPU工作頻率控制方法，以提供行動裝置有效且有效率的節省功耗。

也有必要提供一種行動裝置CPU工作頻率控制方法，可以透過簡單的運算，決定行動裝置的CPU工作頻率，以節省耗電。

也有必要提供一種行動裝置CPU工作頻率控制方法，可以根據行動裝置應用上的實際需求，動態調整行動裝置的CPU工作頻率，以有效節省耗電。

本發明的目的即在提出一種創新的行動裝置CPU工作頻率控制方法，以提供行動裝置有效且有效率的節省功耗。

本發明的另一目的是在提供一種行動裝置CPU工作頻率控制方法，可以透過簡單的運算，決定行動裝置的CPU工作頻率，以節省耗電。

本發明的另一目的也是在提供一種行動裝置CPU工作頻率控制方法，可以根據行動裝置應用上的實際需求，動態調整行動裝置的CPU工作頻率，以有效節省耗電。

本發明另一目的則在提供一種行動裝置CPU工作頻率控制裝置，可以應用在行動裝置，並以上述方法控制行動裝置的CPU工作頻率，以達有效節省耗電的目的。

本發明提供一種新穎的行動裝置CPU工作頻率控制方法，可根據行動裝置當時資源的使用狀態，動態調整其CPU的工作頻率，以達到節省CPU消耗能源的目的。

根據本發明之實施例，該行動裝置CPU工作頻率控制方法包括：偵測系統使用資源的狀態；於偵測到系統的資源使用狀態變更時，根據系統之前的資源使用狀態變化，預測新狀態的CPU工作頻率；以該預測的CPU工作頻率，作為該CPU在新狀態的工作頻率；及使該CPU在該工作頻率工作。

在本發明的一些實施例中，該資源使用狀態包括系統於特定時間使用與不使用的資源的狀態。又在本發明的一些實施例中，該資源使用狀態變化包括系統於數連續時間段中，個別的資源使用狀態。其中，該時間段可為一定長度或不同長度時間。在本發明的較佳實例中，所使用的時間段為系統資源使用狀態改變之前，同一使用狀態持續的時間長。本發明的方法另可包括定時偵測系統使用資源的狀態的步驟。

在本發明的實施例中，該資源使用狀態包括該行動裝置在特定時間點所使用及不使用的周邊配備種類。在本發明另一些實例中，該資源使用狀態並包括在該資源使用狀態下，CPU的工作頻率。本發明的方法也可包括記錄系統資源使用狀態之變化歷史資料以及在各資源使用狀態下，該CPU的工作頻率資料之步驟。本發明的方法也可另外包括一計算一時間段中CPU的使用率，並依據計算結果計算出一更新的CPU工作頻率，取代該CPU工作頻率資料的步驟。其中，該CPU的使用率另可以該CPU之最高工作頻率正規化。

本發明的方法也可包括一在該資源新使用狀態與所記錄之所有使用狀態均不同時，以該CPU的最高工作頻率做為該使用狀態之CPU工作頻率的步驟。在此種實例，也可包括在該狀態結束後，以依據CPU在該狀態期間的使用率計算得出之更新的CPU工作頻率，取代該CPU最高工作頻率資料的步驟。

在本發明的實施例中，該新狀態的CPU工作頻率的預測，是將新狀態的CPU工作頻率設為系統之前數個資源使用狀態中所記錄的CPU工作頻率平均值。而在其他的實施例，該新狀態的CPU工作頻率的預測，是將新狀態的CPU工作頻率設為系統之前數個資源使用狀態中所記錄的CPU工作頻率中的最大值。

以下將以實例說明本發明的數種較佳實施例。說明中將引用所附圖式。唯應說明，本發明較佳實施例的說明及圖式的顯示，只是用來呈現本發明的數種面向，使本行業具有通常知識、技藝之人士可以實施本發明。圖式及詳細說明的內容，不得用來限制本發明的範圍。

雖然不需為任何理論所拘束，但本發明人發現，行動裝置在應用時在不同應用下，在不同應用期間，有其資源使用模式。所謂資源，是指行動裝置所配備的週邊硬體設備，例如顯示器、網路裝置、隨機存取記憶體、快閃記憶體、擴音器等。CPU的使用率也可視為行動裝置的資源應用。所謂資源使用模式，是指行動裝置在特定應用期間的資源使用狀態，亦即使用或不使用特定周邊裝置或CPU的狀態，事實上可以歸類成數種模式。

發明人也發現，行動裝置的CPU在不同的資源使用狀態/模式之下，會有相對應的使用率。例如，在資料傳輸速率較高的時候，CPU的使用率也會提高，同時CPU存取記憶裝置的頻率也提高。又如行動裝置撥放儲存在記憶卡內的視訊資料時，CPU只會定時的存取記憶卡以及隨機存取記憶體。在前者的情形下，CPU須以較高的頻率工作，而在後者的情形，CPU可以較低的頻率工作。因此，根據行動裝置的資源使用狀態，動態調整CPU的工作頻率，將可節省CPU在不需使用高工作頻率期間的耗電。因而提出本發明。

第1圖表示本發明行動裝置CPU工作頻率控制裝置的系統圖。該行動裝置CPU工作頻率控制裝置根據行動裝置在不同應用下的資源使用模式，動態調整CPU的工作頻率，以降低電源的消耗。如圖所示，本發明的行動裝置CPU工作頻率控制裝置10包括一資源監視器11，用來定期對多數資源的使用狀態作取樣；及多數資源狀態機器12，用來針對特定應用產生一應用模式發展圖。在行動裝置(未圖示)開始啟用一新應用程式(或被呼叫而位在foreground)時，即啟用一資源狀態機器。該行動裝置CPU工作頻率控制裝置根據新啟用的資源狀態機器各時間的更新狀態資訊，辨認當時的資源使用狀態，以及該CPU的使用率與資源使用模式的相互關係，預測並調整CPU的工作頻率。

此外，為能定時監視多數資源的使用狀態，該資源監視器11連接一計時器13，以在預定時間啟動該資源監視器11。

該資源監視器11對多數資源，包括快閃記憶體R1、網路R2、RAM R3、螢幕R4等的使用狀態，產生一使用狀態代碼。在代碼的表示上，各資源如是在使用狀態，則將代碼編為1，反之為0。因此所取樣得到的資源使用狀態組合就可以一串一位元的代碼表示，稱為bitmap或bit string。特定的bitmap(也稱為狀態集合)即代表一種特定的資源使用狀態模式。舉例而言，如果行動裝置所使用的資源包括快閃記憶體R1、網路R2、RAM R3、螢幕R4等，如第1圖所示，則在行動裝置只使用快閃記憶體R1及RAM R3時，代碼可編為1010。於使用網路資源R2、RAM R3及螢幕R4時，其代碼可編為0111。餘此類推。當然，使用其他的編碼方式，也屬可行。

各狀態模式均連結到一相關性表14，用來記錄/代表預測下一狀態CPU使用率所需的資訊。當該資源使用狀態組合改變時，系統先預測該新狀態之資源使用模式，並記錄當時的CPU使用率以及該下一狀態代碼，儲存在原狀態的相關性表14中。其後才進入該新狀態。在該新狀態下，系統預測CPU的工作頻率，並建立一與新狀態相關的相關性表。於新狀態下，CPU以預測的工作頻率工作，但該工作頻率嗣後會由系統根據該新狀態的相關性表中的資訊修正。修正後的資料取代該預測的工作頻率，記錄在新狀態的相關性表中，作為之後預測CPU工作頻率的依據。

由於該狀態機器12是以線上方式取樣應用模式的動態變化，預測下一狀態並修正CPU的工作頻率，只要執行經過一段期間後，狀態機器12將與當時執行中的特定應用完全整合。因此可以準確的調整CPU的工作頻率，以有效節約耗電。

該資源使用狀態機器12的功用是在追蹤行動裝置的資源使用模式變化，以判斷CPU使用率與特定應用程式的資源使用狀態間的關係。因此，各狀態模式的定義可以包括：一bitmap，代表該使用狀態模式；以及一指示器，指示到對應的相關性表。例如，第1圖中所示的資源包括快閃記憶體、網路、RAM、螢幕4種。在狀態3中，使用網路及RAM兩種資源。故其代碼為0110。該相關性表14並記錄其下一狀態可能為S1、S2及S4。

第2圖表示本發明行動裝置的CPU工作頻率控制方法的流程圖。如圖所示，在步驟201該行動裝置開始執行一應用程式。此時該資源狀態機器12於步驟202將當時的資源使用狀態記錄在相關性表14中。這時該資源狀態機器12只記錄1種狀態模式，就是在該起始期間所執行的應用程式使用中的資源，例如State 1，代碼1010。於步驟203該資源監視器11偵測到使用狀態改變，例如增加及/或減少一種或多種硬體設備。這時於步驟204，該資源狀態機器12產生一新狀態模式，例如State 2，代碼1011。資源狀態機器12於步驟205判斷當時所取樣的狀態組合(State 2)是否存在記錄中？如判斷結果是否定，則於步驟206將該新狀態模式(State 2)加以記錄，並記錄其為原狀態(State 1)的下一可能狀態模式。如判斷結果是肯定，則於步驟207只記錄該新狀態模式(State 2)為原狀態(State 1)的下一可能狀態模式。其後，該控制裝置10於步驟208根據原狀態(State 1)的相關性表中所記錄的資訊，預測新狀態(State 2)所需的CPU工作頻率，記錄在新狀態的相關性表14中。

在該行動裝置由原狀態(State 1)進入新狀態(State 2)前，該資源使用狀態機器12於步驟209計算在原狀態(State 1)中，該CPU的使用率，並於步驟210根據計算所得的CPU使用率，修正原狀態(State 1)的相關性表所記錄的CPU工作頻率。於步驟211，該資源狀態機器12以修正後的CPU工作頻率取代原記錄的CPU工作頻率，並記錄下一狀態的代碼。最後，於步驟212，該控制裝置10發出控制指令，使CPU在所預測的工作頻率下工作，直到該資源監視器11又偵測到資源使用狀態改變(步驟213)或應用程式執行完成(步驟214)時為止。於該資源監視器11又偵測到資源使用狀態改變後，該步驟回到204。於偵測到程式執行完成後，即結束作業。

在本發明的應用中，如果取樣對象的資源數量較大，經過一段時間之後，該資源狀態機器12所記錄的狀態模式數量可能增到相當大。為解決這個問題，在本發明的實施例中，該資源狀態機器12可以赫序列表來作索引。使用赫序列表的目的是節省記憶體用來記錄各狀態的下一狀態的空間，並使狀態的找尋更有效率。其方式包括將各狀態組合的bitmap作赫序編碼或對應到一赫序值。赫序值相同的狀態組合就加入到相同的赫序列中。當資源使用的狀態組合改變時，只要根據其bitmap的赫序值，就很容易找到所對應的新狀態組合。

第3圖顯示本發明一實施例中，該相關性表的結構示意圖。如圖所示，在本發明的某些實施例中，該相關性表14可包括3個欄位，分別追蹤該狀態的下一狀態(N欄)、該狀態下的CPU使用率(U欄)以及單一或多數可能的下一狀態中各狀態的可能性值。該相關性表持續追蹤各狀態中CPU的使用率與資源使用的相互關係。

例如，在第3圖所示的實施例中，該關聯性表14為狀態S3的關聯性表，並記載：根據過去的狀態變化記錄(Path Window)，狀態S3過去10次的變化，分別是轉變成狀態S4、S4、S1、S1、S4、S1、S1、S1、S2及S2。亦即，從狀態S3只可能轉變到狀態S1、S2及S4。又從該歷史記錄中可知，從狀態S3轉變成狀態S1的可能性為50%，轉變成狀態S2的可能性為20%，轉變成狀態S4的可能性為30%。且如果由狀態S3轉變成狀態S1，在轉變前狀態S3之CPU使用率分別為0.2，0.2，0.3，0.3及0.2；平均CPU使用率為0.24。在本發明的實施例中，是將各狀態轉便道下一狀態的記錄筆數，限制在特定數量，故該相關性表可以維持在小規模，但仍能有效預測該狀態可能的下一狀態。

根據對實際上行動裝置資源使用狀態的追縱結果發現，在一狀態的相關性表中P欄及U欄可以顯示兩種特性：其一是狀態轉換的近似性(P欄)，另一是資源使用的規律性(U欄)。所謂狀態轉換的近似性是指在特定應用下，在時間接近的期間，由一狀態轉換到下一狀態時，通常會轉換到特定幾種狀態。而所謂規律性則是指，在時間接近的期間，行動裝置所使用的資源數量都會接近，因此在一期間內CPU的使用率都會維持在相同水準。

基於以上觀察可知，行動裝置的資源使用狀態，事實上可以從過去的使用狀態變化預測得到。且根據預測結果所設定的CPU工作頻率，大致會符合CPU所需的工作頻率。在本發明的一種實施例中，對於新資源使用狀態及其CPU工作頻率的預測，是根據過去預定數量的資源使用狀態下，CPU的使用率加以決定。例如，在第3圖的實例中，代表過去數種資源使用狀態下，CPU使用率的「使用率記錄」(utilization window)筆數訂為5筆，算出該5筆CPU使用率的平均值為0.24。

在計算CPU在特定應用中，在特定資源使用狀態下的使用率時，本實施例是統計該CPU在該狀態期間累積的工作時間(busy time)對經過時間(elapsed time)之比例，並以該CPU的最高工作頻率加以正規化，所得的結果。這種計算方式可以節省用來記錄CPU使用率的記憶體空間。但是其他的計算方式，也可適用在本發明。在該例中，例如CPU的最高工作頻率為800MHz，但在busy期間只在200MHz頻率下，使用40%，則該CPU使用率應為0.1，即40% X(200/800)。根據上述方法計算所得結果，可以用來修正CPU在該狀態下實際上的工作頻率，以做為之後預測CPU工作頻率的根據。

在預測CPU工作頻率時，本發明提供數種預測方法。例如，當新狀態在該資源狀態機器12的記錄中並不存在時，可以將該新狀態所使用的CPU工作頻率設成該CPU的最高工作頻率。這種做法固然並非任何技術上的限制，但可確保當時的應用可以在CPU提供最高支援下執行。而該狀態所需的CPU工作頻率，將來可以根據CPU在該狀態中的使用率，再做修正，以達到或接近符合實際需求的最低工作頻率。

在本發明的一實例中，該CPU的頻率穩定性是首要考慮。這時可將新狀態的CPU工作頻率設為該CPU的最高工作頻率，乘以下式計算結果之值： 其中Ns為該相關性表內的記錄數量，Pi為該相關性表中，第i筆記錄之P 值，Ui為其U值。

反之，如果使用者的經驗為主要考量，則將該狀態的相關性表所記錄的CPU使用率中最高者應用來當作預測的CPU使用率。換言之，所預測的CPU使用率可以使用在該相關性表內的資訊，根據該使用著所希望或該系統所要求的條件，計算得到。

第4圖顯示本發明與習知技術省電結果比較表。其中，本發明的測試結果是以「RD-DVFS」表示，比較例則是前述Governor技術中，分別以Performance、Conservative及Ondemand三種省電模式設定所得的結果。實驗的應用包括：以WiFi接收並撥放電影「艋舺」(Monga)(MW)，從SD記憶卡讀取並播放電影「艋舺」(MS)，以WiFi接收並撥放電影「Avatar」(AW)，從SD記憶卡讀取並播放電影「Avatar」(AS)。實驗結果顯示本發明的方法與裝置效果優越。

10‧‧‧行動裝置CPU工作頻率控制裝置

11‧‧‧資源監視器

12‧‧‧多數資源狀態機器

13‧‧‧計時器

14‧‧‧相關性表

第1圖表示本發明行動裝置CPU工作頻率控制裝置的系統圖。

第2圖表示本發明行動裝置的CPU工作頻率控制方法的流程圖。

第3圖顯示本發明一實施例中，該相關性表的結構示意圖。

第4圖顯示本發明與習知技術省電結果比較表。

Claims (14)

1. 一種行動裝置CPU工作頻率控制方法，包括依據系統資源使用狀態之變化歷史資料以及在各資源使用狀態下，CPU的工作頻率資料，以下列步驟控制該行動裝置CPU工作頻率：偵測系統使用資源的狀態；於偵測到系統的資源使用狀態變更時，根據系統之前的資源使用狀態變化，預測新狀態的CPU工作頻率；以該預測的CPU工作頻率，作為該CPU在新狀態的工作頻率；使該CPU在該工作頻率工作；及計算該新狀態時間段中該CPU的使用率，並依據計算結果計算出一更新的CPU工作頻率，取代該資源使用狀態之變化歷史資料中，相對於該時段之CPU工作頻率記錄資料；其中，任一資源使用狀態對應至該行動裝置在特定時間點所使用及不使用的周邊配備種類，及在該資源使用狀態下，CPU的工作頻率。
2. 如申請專利範圍第1項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該資源使用狀態包括系統於特定時間使用與不使用的資源的狀態。
3. 如申請專利範圍第1項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該資源使用狀態變化包括系統於數連續時間段中，個別的資源使用狀態。
4. 如申請專利範圍第3項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該時間段可為一定長度或不同長度時間。
5. 如申請專利範圍第3項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該時間段為系統資源使用狀態改變之前，同一使用狀態持續的時間長。
6. 如申請專利範圍第1項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該對系統使用資源狀態的偵測包括定時偵測。
7. 如申請專利範圍第1項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該CPU的使用率為該CPU之使用時間與該時段之比例。
8. 如申請專利範圍第1項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，另包括將該CPU的更新使用率以該CPU之最高工作頻率正規化，用以取代該資源使用狀態之變化歷史資料中，相對於該時段之CPU工作頻率記錄資料的步驟。
9. 如申請專利範圍第1項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該新狀態的CPU工作頻率的預測，包括在該資源新使用狀態與所記錄之所有使用狀態均不同時，以該CPU的最高工作頻率做為該使用狀態之CPU工作頻率的步驟。
10. 如申請專利範圍第1項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該新狀態的CPU工作頻率的預測，包括將新狀態的CPU工作頻率設為系統之前數個資源使用狀態中所記錄的CPU工作頻率平均值。
11. 如申請專利範圍第1項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該新狀態的CPU工作頻率的預測，包括將新狀態的CPU工作頻率設為系統之前數個資源使用狀態中所記錄的CPU工作頻率中的最大值。
12. 如申請專利範圍第9、10或11項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，其中，該CPU的使用率為該CPU之使用時間與該時段之比例。
13. 如申請專利範圍第7、9、10或11項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，另包括將該CPU的更新使用率以該CPU之最高工作頻率正規化，用以 取代該資源使用狀態之變化歷史資料中，相對於該時段之CPU工作頻率記錄資料的步驟。
14. 如申請專利範圍第12項的行動裝置CPU工作頻率控制方法，另包括將該CPU的更新使用率以該CPU之最高工作頻率正規化，用以取代該資源使用狀態之變化歷史資料中，相對於該時段之CPU工作頻率記錄資料的步驟。