基于可变调频间隔的动态电压和频率缩放算法研究

摘要

嵌入式系统设备已经逐渐融入人类社会的各个领域。然而，电子设备上的能耗和性能之间的矛盾也日益突出。DVFS（动态电压和频率缩放）技术为缓解设备能耗与性能之间矛盾提供了可能性，并且已经成为目前最重要的能耗优化技术之一，而与此密切相关的算法问题也成为近年来的研究热点。
　　DVFS技术能够在一定程度上优化系统能耗，使设备拥有更好的能量效率。然而，研究DVFS技术所用的理论模型对多阶段任务的应变能力较低，对系统能耗的估算也存在较大的误差。本文目标在于改进DVFS的理论模型和可变调频间隔DVFS算法，通过在能耗模型中增加对DVFS模块额外能耗开销的计算，提升能耗估算的准确程度，并引入多阶段任务模型，改进调频间隔的调频粒度，使得DVFS算法在综合不同粒度的固定调频间隔优势的同时降低算法对任务相似性的要求。本文的主要工作如下:
　　过于简化的理论模型制约了DVFS技术的进步，单一的任务模型导致任务的多样性受到限制，简化的能耗模型在系统能耗的估算上也存在较大的误差。本文对任务模型和能耗模型做出了改进:1）使用了一种多阶段任务模型来展现任务的频率界限特性，该任务模型以任务的频率界限来区分任务阶段，并能反映任务在不同阶段时的任务量大小;2）在传统的能耗模型中加入DVFS能耗开销模型，提升了DVFS系统能耗估算的准确性。本文参考其它文献的实测数据，计算出DVFS模块进行电压和频率调节所需的平均能耗，建立了一个简单的DVFS能耗开销模型，并将该模型与传统的能耗模型进行结合，共同应用于系统能耗开销统计。
　　固定调频间隔DVFS算法可能导致能耗浪费或任务超时，可变调频间隔DVFS算法的提出改良了固定调频间隔的不足，然而该算法对相邻任务的相似性又有较高的要求。本文改进的可变调频间隔DVFS算法采用在线优化策略，并用粗粒度可变调频间隔代替细粒度可变调频间隔，通过对调频间隔的切换来确保频率的变化速率能够满足任务不同阶段的需求，减少DVFS能耗浪费，既能满足系统的性能要求和能耗要求，又能降低算法对于任务相似性的限制。
　　为了验证动态可变调频间隔DVFS算法的性能，本文在VS2010环境下设计实现了动态可变调频间隔DVFS算法原型和相应的实验环境。在本文实验平台上使用不同算法执行相同任务集所得的结果，表明本文的算法能够灵活处理具有多频率界限阶段的任务，结合具有不同固定调频间隔的DVFS算法的优势，在能量效率和任务响应速度两个方面超过或接近固定调频间隔DVFS算法所得的最优值。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容及结构安排

第2章 相关研究与发展

2．1 能耗模型

2．1．1 计算机系统能耗产生的原因

2．1．2 能耗模型的数学描述

2．2 能耗的管理

2．2．1 DVFS技术

2．2．2 DPM技术

2．2．3 温度管理技术

2．2．4 异构多核设计

2．3 几种典型的DVFS算法和策略

2．4 DVFS调频间隔

2．5 任务的频率界限

2．6 小结

第3章 DVFS理论模型的改进与实现

3．1 DVFS能耗开销模型

3．2 多阶段任务模型

3．3 任务模型的实现

3．4 基于多阶段任务模型的静态优化算法

3．5 小结

第4章 一种可变调频间隔的动态DVFS算法

4．1 粗粒度可变调频间隔

4．2 基于多阶段任务模型的动态优化算法

4．2．1 算法目标

4．2．2 动态调频策略

4．2．3 DVI算法流程图

4．3 算法实验平台及算法原型的实现

4．3．1 系统模块的实现

4．3．2 算法原型的实现

4．3．3 实验平台参数设定

4．3．4 任务分析环境的实现

4．4 小结

第5章 实验及结果分析

5．1 实验设计方案

5．1．1 算法评价指标

5．1．2 算法比较方案

5．1．3 实验任务集

5．2 实验结果对比及分析

5．3 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文和参加的项目

致谢