多核嵌入式系统的节能机遇与策略

多核嵌入式系统的节能机遇与策略

　　节能机遇

　　对于上述多核嵌入式处理器，已确定了以下内核级和芯片级节能候选元素(PSC)：

　　1.寄存器文件，即线程专用单元。每个线程都有一个160双字(64位)的寄存器文件，而且当线程的某个任务被阻塞或空转时可以节省大量功耗。

　　2.数据缓存未命中时，用以排列数据的加载未命中队列(LMQ)。线程之间可以共享加载未命中队列，但通过这种方法节省的功耗较少。

　　3.分支预测器。分支历史表可以是线程专用的，因此可以节省大量功耗。

　　4.当内核中所有线程的所有任务发生阻塞或空闲时，或没有任务被调度到内核中的任何线程时，整个内核可以节省大量功耗。

　　5.内核中用于硬件和软件中断的陷阱单元。研究结果显示，在UltraSPARC T1处理器中，用于典型SPECJBB网络处理应用的陷阱指令在所有指令中所占的百分比还不到1%。这表明，陷阱单元是非常好的潜在节能元素。请注意，虽然在大部分时间内其余的陷阱逻辑可能处在节能模式下，接收陷阱的输入接收队列需一直保持在活跃状态，但队列的功耗可以忽略不计。

　　6.在缓存体和输入输出缓冲器之间控制数据流的用于L2缓存的DMA控制器。

　　7.内核和L2缓存体之间的命令和数据队列。

　　8.当需要访问片外缓存或主存储器时，只有在片上L2缓存有缓存未命中时才会被激活的缓存未命中路径逻辑。

　　节能策略

　　基于上述PSC制定出的自主硬件节能方案包括电源门控(数据不被保留)、时钟门控(数据在正常操作时被保留)和DVFS(同步电压及频率调整)。DVFS仅用于整个内核，或类似于DMS控制器、互连网络、缓存体、输入输出缓冲器或FPU的片上计算单元这样的一个芯片级组件(图3)。但是，对于内核中的组件和芯片级组件而言，电源和时钟门控均适用。图4显示了推荐的核内(局部电源管理)级和全局芯片级分层节能架构。在图4中的虚线上方，局部电源管理单元在内核中运行，对电源状态寄存器(PSR，与不同的PSC相关)中的内容进行监控，执行节能算法，以及对相应电源控制寄存器(PCR)当中的数值进行修改以激活或关闭节能模式。片上模拟电压调节器和时钟调节器将读取PCR中的内容，并通过读取的数据对PSC上的DVFS、电源门控、时钟门控进行控制。请注意，LPMU并不直接控制整个内核中的节能单元(如DVFS)。反之，LPMU将通过内核控制状态寄存器(CSR)向全局电源管理单元(GPMU)发送信号，CSR转而通过内核控制寄存器(CCR)实现内核级节能。内核中的电源状态寄存器通过陷阱逻辑和解码器进行更新，当需要进行特定中断服务或要对特定指令进行解码时，陷阱逻辑和解码器将会发出PSC即将激活的信号。同样，PSC也可以对自身的PSR进行更新，从而在系统长时间不工作(空闲或阻塞状态，最好在内核中对其进行局部监控)时发出即将节能的信号。

图4：自主硬件节能逻辑的架构

图5：全局电源管理单元

　　在图4中的虚线下方及内核外部是芯片级GPMU，它将会读取片上传感器上热点和电源接地噪声(它们是全局可观测现象)的数据，并为内核及其他芯片级组件做出相应的智能节能决定。GPMU通过内核状态寄存器(CSR)和内核控制寄存器(CCR)与内核及其他组件进行交互。整个内核的电源门控、时钟门控以及DVFS通过GPMU进行控制。图5展示了GPMU的交互(CR和SR分别表示控制寄存器和状态寄存器)。请注意，本文在逻辑上将所有芯片级组件都视为内核。