基于负载监测的系统芯片动态频率调节研究

摘要

动态频率调节（DFS，Dynamic Frequency Scaling），是一种基于数字集成电路设计方法的实时频率调节系统。相比动态电压调节方法（DVS，Dynamic Voltage Scaling）,它设计风险较低已被广泛应用于系统芯片的低功耗设计中。系统芯片总线上通常分布着CPU核和多个主设备，CPU核和各个主设备在不同的时间片的工作负载不同，因此系统在不同的时间片上运行所需的频率也有所不同。本文的研究发现系统运行的任务有一定的局部性和规律性，各个主设备所需的工作频率大小也会随着程序运行特征的变化而呈现规律性变化。本文旨在通过实时监测历史上多个时间片SOC的负载信息，动态预测下一个时间阶段CPU和系统总线所需的最佳频率信息，从而控制整个系统动态运行在合适的频率点上，实现在性能满足要求下的最佳功耗。
　　本研究主要内容包括：⑴基于CPU负载的调整方法。介绍了两种基于CPU负载的自适应频率调节方法。第一种方法在全局性能指标和总线频率预测模块参数信息的约束下，通过性能估算的方式计算得出最佳的CPU频率；第二种方法基于CPU内核本身的负载信息变化规律，通过周期性地监测CPU负载信息，根据历史负载信息对下一时间片的负载信息做出预测，根据预测得到的负载信息相应地配置最佳的CPU频率。实验表明通过预测的方法配置的CPU频率与CPU负载需求的变化走向相拟合，且预测准确率有69.9％以上。⑵基于SOC总线负载的方法。介绍了一种基于SOC负载的自适应频率调节系统，它每隔一定的监测周期统计总线上主设备的负载信息，通过对负载信息的处理以及根据程序应用性能的要求预测得出下一监测周期应当配置的总线频率，然后驱使时钟管理模块实时地配置频率，从而在满足性能的要求下达到低功耗设计的目的。通过实验表明这一总线频率调节系统在保证性能的需求下较原来的静态管理策略总线功耗降低了45.6%~50.7%。

目录

声明

致谢

第 1 章 引言

1.1 研究的背景

1.2 国内外研究的现状

1.3 本文的主要内容

1.4 本文结构

第 2 章 SOC系统的性能估算模型

2. 1 SOC的线性性能模型

2. 2 基于性能估算模型的SOC DFS系数配置方法

2. 3 小结

第 3 章 基于负载信息的自适应频率调节系统架构

3. 1 基于负载的自适应总线频率调节系统的架构定义

3. 2 基于负载的自适应CPU频率调节系统架构定义

3. 3 小结

第 4 章 基于负载信息的自适应频率调节系统的硬件实现

4. 1 SOC平台介绍

4. 2 基于负载信息的自适应频率调节模块实现

4. 3 小结

第 5 章 实验结果与分析

5. 1 总线频率调节模块的结果与分析

5. 2 CPU频率调节模块的结果与分析

5. 3 三种方法的性能功耗结果比较

5. 4 小结

第 6 章 总结与展望

参考文献

作者简历

在学期间科研成果