梁衡,劉新新,鄭遠攀

（1.許昌學院計算機科學與技術學院,河南許昌461000；2.鄭州輕工業(yè)學院計算機與通信工程學院,河南鄭州450002）

基于Linux內(nèi)核的Android系統(tǒng)的應用平臺越來越廣泛,對電源管理的要求越來越高,目前應用最廣泛的動態(tài)電源管理（DPM）提供了一種操作系統(tǒng)級別的電源管理能力.相比傳統(tǒng)電源管理,通過用戶層制定策略與內(nèi)核提供管理功能交互,實時調(diào)整電源參數(shù)并同時滿足系統(tǒng)實時應用的需求,允許電源管理參數(shù)在短時間的空閑,或任務運行在低電源需求時可以被頻繁地、低延遲地調(diào)整,從而實現(xiàn)更精細、更智能的電源管理[1].

1 Android應用平臺

Android作為一種嵌入Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng),依賴于Linux分層架構,包括應用程序層、應用程序框架層、系統(tǒng)運行庫層以及Linux內(nèi)核層4部分[2].以Linux為核心的應用程序層作為Android應用平臺層,使用Java語言編寫基于Java虛擬機運行環(huán)境的程序.作為Android應用平臺核心API應用程序框架,使得開發(fā)人員可以開發(fā)自定義應用程序,包括View System、Content Providers、Resource Manager、Notification Manager、Activity Manager、Window Manager、Package Manager.在使用 Android 應用框架時,系統(tǒng)通過系統(tǒng)運行庫層中的運行庫來支持用戶使用的各個組件,更好的為用戶提供服務.Android核心層是作為硬件和軟件棧間的抽象層,除了Linux2.6內(nèi)核的功能,還提供對硬件的驅動程序服務.

2 DPM框架模型

動態(tài)電源管理框架是指在一定規(guī)則和機制的基礎上,整合系統(tǒng)不同組件功能的動態(tài)優(yōu)化技術,從整體上看,它著眼于整個系統(tǒng)各個功能的最優(yōu)化設計,而不是僅僅局限于系統(tǒng)的局部性質,從而實現(xiàn)全局最優(yōu)的效果.

框架設計需求有如下幾點[3]：

（1）具備框架設計的靈活性；

（2）具備收集系統(tǒng)資源信息的能力；

（3）具備能夠同時進行普通任務和功能監(jiān)控任務的功能；

（4）具備外設狀態(tài)的變化獨立于管理策略變化的特性；

（5）具備支持動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、動態(tài)頻率調(diào)節(jié)等硬件參數(shù).

DPM模塊中除DPM基本框架中的操作點管理、操作狀態(tài)管理、策略管理、設備約束管理外,還包括了擴展的策略優(yōu)化和CPU負載檢測模塊,使用任務級設備調(diào)度優(yōu)化策略,并在設備調(diào)度過程中根據(jù)動態(tài)CPU頻率自動調(diào)整參數(shù),減少能量消耗.DPM框架系統(tǒng)模型[4]見圖1.

圖1 DPM整體框架模型Fig.1 DPMoverall frame model

3 Android平臺下的DPM框架實現(xiàn)

3.1 操作點

操作點對應整個平臺各種硬件的數(shù)據(jù)參數(shù),是動態(tài)電源管理框架中最基本的抽象組合[5-6].操作點實現(xiàn)如下：

struct dpm_opt

{

char*name； //操作點名字

struct list_head list；//初始化的操作點列表

dpm_md_pp_t pp[DPM_PP_NBR]；//初始化參數(shù)

struct dpm_md_optmd_opt；//設備屬性

int constrained； //是否受其他條件約束

struct kobject kobj；//內(nèi)核設備對象結構

struct dpm_stats stats；//相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計

int flags； //標志項

}；

struct dpm_md_opt{

unsigned int v； //目標電壓（mV）

unsigned int cpu； //CPU頻率（kHz）

…… //其它參數(shù)

}；

3.2 操作狀態(tài)

操作狀態(tài)是由多個操作點組成的狀態(tài)集合[7]；操作系統(tǒng)可以認為是一個狀態(tài)機,通過事件的觸發(fā),操作系統(tǒng)可以在不同的狀態(tài)間進行切換,而針對同一狀態(tài)根據(jù)不同的負載,也可以進行不同的操作點間的切換,達到系統(tǒng)能耗的最優(yōu)化.

針對操作系統(tǒng)的狀態(tài)切換,可以與操作狀態(tài)進行一一對應,而當前系統(tǒng)所使用的操作點,可以通過策略進行管理,通過不同的策略的切換不同操作狀態(tài),達到切換不同操作點的目的.

Android系統(tǒng)中主要有以下 3種狀態(tài)：USER_AWAKE；USER_NOTIFICATION；USER_SLEEP[8].而Android系統(tǒng)從工作狀態(tài)轉為休眠狀態(tài)的一個重要因素是一種叫Wake lock的鎖機制,Wake lock是對系統(tǒng)能否進入休眠狀態(tài)時的一個判斷前提.只有當前沒有用戶態(tài)應用程序且內(nèi)核態(tài)進程持有Wakelock,系統(tǒng)才能進入休眠狀態(tài),否則,在Wake lock鎖主動釋放或者超時自動釋放前,系統(tǒng)無法進入休眠狀態(tài).操作狀態(tài)的代碼如下：

struct dpm_class

{

char*name； //類名稱

struct list_head list；//初始化類列表

unsigned nops；//該操作類中操作點的個數(shù)

struct dpm_opt**ops；//指向操作點地址的指針struct dpm_opt*opt；//類中被選中的操作點

struct dpm_stats stats；//相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計

}；

3.3 操作策略

操作策略,即管理策略,表示操作狀態(tài)與操作點或操作類之間的映射關系,根據(jù)不同操作狀態(tài)和操作點的映射關系可以定義不同的操作策略.

操作策略數(shù)據(jù)結構表示如下：

struct dpm_policy

{

char*name； //策略名稱

struct list_head list；//初始化類列表,鏈接到dpm_class鏈表中

struct dpm_class*classes[DPM_STATES]；//該操作策略中包含的類

struct dpm_stats stats；//相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計

}；

操作點、操作狀態(tài)機操作類、操作策略之間的關系可以表示為鏈表形式,即：

extern struct list_head dpm-polieies；

extem struct head dpm_classes；

extern struct list head dpm_opts：

其中一個操作策略對應多個操作狀態(tài)即操作類,一個操作狀態(tài)對應多個操作點.

3.4 設備約束

策略管理者通過底層的設備驅動管理設備的能耗,選擇滿足約束條件的操作點,保證設備在操作點下正常工作.約束數(shù)據(jù)結構表示如下：

struct constraints

{

int asserted；//設備約束是否起作用標志

int count；//約束參數(shù)的個數(shù)

int violations；//違反約束的操作點數(shù)

struct constraint_param param[DPM_CONSTRA INT_PARAMS_MAX]；//約束參數(shù)

struct list_head entry；//初始化的約束列表

}；

struct constraint_param

{

int id；//約束參數(shù)ID

int min；//最小約束值

int max；//最大約束值

}；

3.5 策略優(yōu)化算法

目前,大多數(shù)研究中的DPM策略都著力于對目標設備進行負載檢測的角度,而忽略了不同負載任務的工作形式,不可避免地造成設備利用率降低以及預測策略的預測錯誤等情況[9-10].為排除這種不良狀況的發(fā)生,本研究從任務級的角度著手,考慮設備運行狀態(tài),提出了一種全新的在線設備調(diào)度策略IDSP（Improved Device SchedulingPolicy）.引入任務隊列機制,基于先進先出的系統(tǒng)任務調(diào)度方式,實現(xiàn)任務運行前的設備實時調(diào)度,從而減少任務運行過程中設備的等待時間,減少狀態(tài)轉換功耗.有效節(jié)省運行總功耗.

假設系統(tǒng)共有M+1個用戶任務,表示為Ti（1≤i≤M）和系統(tǒng)空閑任務TM+1.任務隊列表示為TQ,長度為N（N＞M）,首任務表示為TQ{0},后續(xù)任務以此類推.系統(tǒng)將任務隊列中進入就緒狀態(tài)的任務按照FIFO（先進先出）規(guī)則進行調(diào)度.

首先按照規(guī)則：①相鄰子任務間至少使用了一個不同的外設；②保證某一外設在子任務執(zhí)行期間完全被使用；將任務Ti劃分為相互獨立的N個子任務{(diào)STi,1,STi,2,...,STi,n},子任務隊列表示為{STQ{0},STQ{1}...,STQ{n-1}}.根據(jù)實際任務分類空閑任務、單任務、多任務三種情況,作相應的策略處理.即：

其次將每個子任務STi,k都表示成一個二維數(shù)據(jù)結構 {SDi,SEi}.SDi表示每個子任務在執(zhí)行過程中所使用到的IO設備集,SEi表示每個子任務的執(zhí)行時間.

然后根據(jù)任務執(zhí)行隊列調(diào)度相對應設備.可以分為以下幾種情況[7]：①運行STi,k之前,若設備sdi∈SDi處于正常工作狀態(tài),且當STi,k與STi,k+1都不會使用sdi時關閉sdi；當STi,k不使用sdi但STi,k+1使用時,若子任務執(zhí)行時間sei≥TBE時關閉sdi,否則將sdi置為正常模式等待喚醒；②運行子任務STi,k之前,若設備sdi處于睡眠狀態(tài),則當STi,k不使用但STi,k+1使用sdi時,則STi,k運行完畢之前提前喚醒sdi.運行子任務STi,k之前,對子任務STi,k和子任務STi,k+1CPU負載情況進行操作點評估,并在任務STi,k運行中對當前CPU負載進行調(diào)整,以達到性能最優(yōu)化.

3.6 CPU負載檢測與調(diào)整

Android平臺系統(tǒng)中,/proc/loadavg文件中定義了系統(tǒng)在最近時間段中的系統(tǒng)平均負載.在系統(tǒng)運行過程中,內(nèi)核中全局變量current來標識運行進程[11-12],每過一段時間內(nèi)核中斷程序將執(zhí)行一次,可以在內(nèi)核中斷程序的下半部分增加CPU平均負載計算函數(shù)：

Unsigned long actice_tasks；

Static int count=LOAD_FREQ；

Count-=iticks；

If（count＜0）

{

Count+=LOAD_FREQ；

Active_tasks=count_active_tasks（）；

CALC_LOAD（avenrun[0],EXP_1,active_tasks）；

CALC_LOAD（avenrun[1],EXP_5,active_tasks）；

CALC_LOAD（avenrun[2],EXP_15,active_tasks）；

}

通過上面代碼的調(diào)用可實現(xiàn)對系統(tǒng)平均負載的獲取.當?shù)玫较到y(tǒng)負載之后,將進行如下過程,調(diào)整CPU頻率：

（1）如果當前頻率大于設備約束條件,且向下調(diào)整頻率則無法滿足需求,則不做調(diào)整；

（2）如果當前頻率大于設備約束條件,且能夠在降低當前頻率也能夠保證約束條件,則在下個子任務執(zhí)行前,下調(diào)CPU工作頻率；

（3）如果當前頻率無法滿足設備約束條件,則在子任務執(zhí)行前,上調(diào)CPU工作頻率.

4 Android平臺電源管理實現(xiàn)

本文基于IDSP策略對多組任務進行了實驗,具體的實驗環(huán)境設置為：使用的CPU正常最高工作頻率為 1 500 MHz；工作頻率可在 1 500 MHz、1 000 MHz、700 MHz、300 MHz之間調(diào)整.任務組中共有 4 個可調(diào)度任務（T1、T2、T3、T4）,各個任務對應的子任務的執(zhí)行時間及其所調(diào)用外設見表1.

表1 子任務執(zhí)行時間及相關設備表Tab.1 Son task execution time and related equipment

系統(tǒng)中設備均具有高能耗的正常狀態(tài)和低能耗的睡眠狀態(tài)這些設備的電氣特性,見表2,其中的功耗數(shù)值為單位功耗.

表2 設備電器特性Tab.2 Clectrical characteristics of equipment

該組的實驗目的是將本文提出的任務級IDSP策略與設備級的DPM策略TimOut進行功耗及性能的比較.TimeOut的固定超時時限設置為4個時間單元,即設備在經(jīng)過4個單元時間的空閑之后將進入休眠狀態(tài).該組實驗中兩種策略的實時功耗對比結果見圖2.IDSP策略任務組中CPU頻率調(diào)整與正常工作頻率對比結果見圖3.

圖2 策略功耗結果對比Fig.2 Comparison of strategy power consumption

圖3 CPU頻率調(diào)整結果對比Fig.3 Comparison of CPU frequency Adjustment

由圖2、圖3可知,IDSP策略中實施的CPU頻率調(diào)整后的數(shù)據(jù)明顯低于調(diào)整前的正常工作值,能夠有效降低CPU功耗.

5 小結

本文基于動態(tài)電源管理基本框架,擴展了CPU頻率檢測功能和策略優(yōu)化功能,應用于Android平臺.根據(jù)任務分類提出一種新的任務級設備調(diào)度策略ISDP,并根據(jù)實時檢測到的調(diào)度過程中相關設備約束條件調(diào)整操作點,在保證設備正常工作條件下,減少了CPU功耗.相對傳統(tǒng)DLPM策略,本策略在一定程度上延長了設備使用時間,顯著降低了外設整體功耗.

[1]蘇健.Android智能手機平臺電源管理技術[J].微處理機,2011,10（5）：66-69.

[2]張海絨.基于Android平臺的動態(tài)電源管理技術研究[D].昆明：云南大學,2011.

[3]IBMand Monta Vista Software.Dynamic power manag ement for embedded systems（V11.1）[EB/OL].（2002-11-19）.http：//www.resea rch.ibm.com/arl/projects/dpm.html

[4]劉發(fā)貴,麥偉鵬,黃凱耀.動態(tài)電源管理框架的擴展與實現(xiàn)[J].華南理工大學學報：自然科學版,2007,35（5）：60-64.

[5]Binweinberg.基于Linux的動態(tài)電源管理：使嵌入式設備更節(jié)能[M].Monta VistaSoftware,2003.

[6]陽富民,梁晶,張杰,等.嵌入式Linux電源管理技術的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學,2004,26（12）：93-95.

[7]卜愛國,劉昊,胡晨,等.基于任務級的動態(tài)電源管理設備調(diào)度策略[J].電路與系統(tǒng)學報,2005,10（5）：33-38.

[8]Peek J,O’Reilly T,Loukides M.UNIX Power Tools[M].Sebastopol,California：O’Reilly&Assoc.Inc.,1997.

[9]Cockcroft A.Sun Performacne and Tuning[M].Mountain View,California：SunSoft Press,1995.

[10]Sesic A,Daut ovic S,Malbasa V.Dynamic power management of a system with a two priority request queue using probabilistic model checking[J].IEEE Transactions on Computer Aided Design of Integrated Circuits and Systems,2008,27（2）：403-407.

[11]萬恩海,劉宗田.基于Linux動態(tài)頻率調(diào)整的DPM方案[J].計算機工程,2011,37（10）：237-242.

[12]史軍勇,齊艷珂.Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下CPU平均負載的研究[J].福建電腦,2009（6）：119-121.