Android平台基于任务重要性的功耗管理策略研究

摘要

当下一方面智能手机持有量爆发式地增长以及手机计算能力的不断提升，能量消耗越来越大;另一方面，手机电池容量受限于制造工艺的制约发展相对缓慢。智能手机的能耗问题日益突出，逐渐成为厂商设计和制造的重要指标之一。为了缓解硬件端能耗控制的缺陷，从软件层面进行功耗管理成了研究热点之一，其中负责控制和管理底层硬件资源的操作系统是功耗管理的主要实施者。
　　当前主流操作系统主要通过监测不同部件的负载情况，根据负载的大小进行功耗控制。然而，以Android系统为代表的交互式操作系统由于其设计目标主要以提高用户体验为主，所以系统处理的任务可以根据其对用户体验影响的重要程度进行重要性划分，重要性高的任务应当优先、快速进行响应，而重要性底的任务则可以适当延迟处理或者延长处理时间。
　　本文从交互式系统的设计目标出发，以提升用户体验为宗旨对系统的任务进行重要性划分，提出了基于任务重要性的功耗管理技术并在Android系统中进行验证。
　　本文的工作主要包括:
　　1.基于交互式系统追求用户体验的设计目标，提出基于任务重要性的功耗管理框架。框架主要对任务进行重要性分类，对用户关注越多的任务，其响应延迟对用户体验的影响越大，其“重要性”越高。系统根据任务的重要性决定底层硬件提供的性能高低，通过合理的资源配置优化系统的性能和能耗。
　　2.在Android系统中实现基于任务重要性的CPU动态频率调节策略。使用应用程序主线程消息处理数量对CPU当前负载进行重要性刻画，根据当前负载的大小和重要性综合决定CPU运行的频率。实验结果表明最多能达到30％的功耗节省。
　　3.在Android系统中实现基于任务重要性划分的无线网卡功耗管理策略。系统的网络请求被划分成前台、后台和睡眠三种不同重要等级的数据传输，对于前台数据传输，无线网卡提供最高性能的服务，而对于后台数据请求，无线网卡则适当降低服务的质量以延长进入休眠状态的时间长度，最终达到降低系统能耗的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 计算机系统的功耗控制技术

1．2．1 休眠／唤醒技术

1．2．2 动态调速调压技术

1．3 论文主要工作

1．3．1 基于任务重要性的功耗管理框架

1．3．2 功耗管理框架在CPU DVFS中的应用

1．3．3 功耗管理框架在Wi-Fi模块功耗控制中的应用

1．4 论文章节安排

第2章 基于任务重要性的功耗管理技术框架

2．1 技术框架

2．1．1 用户行为信息采集

2．1．2 任务重要性评价

2．1．3 功耗控制算法

2．2 基于任务重要性的功耗管理技术特点

2．3 本章小结

第3章 Android平台基于任务重要性的DVFS策略

3．1 CPU动态频率调节技术研究背景

3．1．1 Linux中常用的DVFS策略

3．1．2 国内外CPU DVFS相关研究

3．1．3 交互式系统中的DVFS

3．1．4 交互式系统中基于任务重要性的DVFS

3．2 任务重要性评价指标

3．2．1 Android消息处理机制

3．2．2 任务重要性衡量指标

3．2．3 消息处理时间占空比的计算

3．3 基于任务重要性指标的DVFS算法

3．4 实验验证

3．4．1 实验平台

3．4．2 功耗测量方法

3．4．3 实验用例

3．4．4 实验结果和分析

3．5 本章小结

第4章 Wi-Fi功耗管理研究基础

4．1 无线网络的应用背景

4．2 Android应用程序的网络访问流程

4．3 无线网卡的工作过程分析

4．3．1 Wi-Fi模块的联网方式

4．3．2 无线网卡的网络连接过程

4．4 802．11标准中的PowerSave Mode分析

4．4．1 无线网卡的PSM模式

4．4．2 静态PSM

4．4．3 自适应的PSM

4．4．4 Bounded-Slowdown(BSD)

4．4．5 应用程序驱动的PSM

4．4．6 无线网卡PSM策略总结

4．5 本章小结

第5章 基于负载重要性的Wi-Fi功耗管理策略

5．1 基于负载重要性划分的Wi-Fi功耗管理技术框架

5．1．1 无线网卡负载的重要性划分

5．1．2 无线网卡的服务等级划分

5．2 Android平台上基于负载重要性的Wi-Fi功耗管理

5．2．1 Android系统中前后台网络数据的识别

5．2．2 Linux无线网卡驱动中实现基于负载重要性的功耗管理策略

5．2．3 Android平台Wi-Fi模块功耗管理系统结构图

5．3 实验验证

5．3．1 实验平台介绍

5．3．2 无线网卡功耗模型

5．3．3 实验方法

5．3．4 实验结果

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本论文工作总结

6．2 本论文工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果