處理器的性能與操作系統(tǒng)允許的一樣好。一個計算平臺，無論是嵌入式的還是其他的，不僅包括物理資源——內(nèi)存、CPU 內(nèi)核、外圍設(shè)備和總線——通過資源分區(qū)（虛擬化）取得了一些成功，還包括性能資源，如 CPU 周期、時鐘速度、內(nèi)存和I/O 帶寬和主/高速緩存內(nèi)存空間。這些資源由諸如優(yōu)先級或時間片之類的古老方法管理，或者根本不管理。結(jié)果，處理器未被充分利用并消耗過多能量，從而剝奪了它們真正的性能潛力。

大多數(shù)現(xiàn)有的管理方案都是分散的。CPU 周期由優(yōu)先級和時間隔離管理，這意味著需要在預(yù)設(shè)時間內(nèi)完成的應(yīng)用程序?qū)⒈Ａ粼摃r間，無論它們是否真的需要它。由于緩存未命中、未命中推測和 I/O 阻塞導(dǎo)致執(zhí)行時間無法安全預(yù)測，因此保留時間通常比需要的時間長。為了確保智能手機中的調(diào)制解調(diào)器堆棧接收到足夠的 CPU 周期來進(jìn)行呼叫，可能會限制其他應(yīng)用程序不能同時運行。這就解釋了為什么一些無名品牌手機的用戶抱怨當(dāng)電話響起時，GPS 會掉線。

除此之外，電源管理最近引起了極大的興趣。注意“分離”的特征。大多數(shù)部署的解決方案擅長檢測空閑時間、使用系統(tǒng)響應(yīng)緩慢的模式，或 CPU 可以以較低時鐘速度運行從而節(jié)省能源的特定應(yīng)用程序。例如，英特爾提出了 Hurry Up and Get Idle （HUGI）。要理解 HUGI，請考慮這個類比：有人可以使用 Indy 汽車全速到達(dá)目的地然后將其停放，但也許使用 Prius 及時到達(dá)目的地會更實用。您認(rèn)為哪個使用較少的氣體？基于使用模式的電源管理粒度太粗，無法始終有效地挖掘所有節(jié)能機會。

理想情況下，開發(fā)人員希望改變時鐘速度/電壓以匹配瞬時工作負(fù)載，但這不能僅通過關(guān)注正在運行的應(yīng)用程序來實現(xiàn)。開發(fā)人員可能能夠確定應(yīng)用程序按時完成的最低時鐘速度，但他們是否可以在不知道其他等待運行的應(yīng)用程序如果延遲會受到影響的情況下減慢時鐘速度？單獨管理任務(wù)和時鐘速度（功率）并不能帶來最佳的能源消耗。獲勝的方法將同時管理/優(yōu)化所有性能資源，但至少管理時鐘速度和任務(wù)調(diào)度。想象一下，任務(wù)調(diào)度器是旅行計劃者，時鐘管理器是汽車司機。如果汽車減速，則必須重新計劃行程。驅(qū)動程序可能由于糟糕的路況（緩存未命中）而不得不減速或在鐵路障礙處停下（多線程中的障礙，由于分配的 I/O 帶寬不足而導(dǎo)致緩沖區(qū)空時阻塞，等等）。表現(xiàn)出依賴于數(shù)據(jù)的執(zhí)行時間的應(yīng)用程序也存在一個問題，因為它們完成的時間直到它們完成才知道。應(yīng)該提前為這些應(yīng)用程序分配什么時鐘速度？

先進(jìn)的績效管理解決方案

管理性能資源的一個示例是 VirtualMetrix 性能管理 （PerfMan），它通過參數(shù)驅(qū)動算法控制所有性能資源。該軟件根據(jù)帶寬消耗和指令退役等性能數(shù)據(jù)安排任務(wù)、更改時鐘速度、確定空閑期并分配 I/O 帶寬和緩存空間。這種方法（如圖 1 所示）解決了碎片問題，并可以實現(xiàn)最佳資源分配，甚至考慮到現(xiàn)代處理器和數(shù)據(jù)相關(guān)應(yīng)用程序的執(zhí)行速度的不可預(yù)測性。

圖 1： PerfMan 使用參數(shù)驅(qū)動算法控制所有性能資源，從而實現(xiàn)最佳資源分配。

正在申請專利的已完成工作分配算法使用閉環(huán)方法，通過比較已完成的工作與仍需完成的工作來做出分配決策，以系統(tǒng)提供的任何可測量的性能量表示。例如，如果應(yīng)用程序是填充緩沖區(qū)的視頻播放器或通信協(xié)議，PerfMan 可以跟蹤緩沖區(qū)填充級別并確定時鐘速度和運行時間，以便及時填充緩沖區(qū)。完成的時間不可避免地會有所不同，因此決策會周期性更新。在許多情況下，緩沖區(qū)被過度填充以防止緩沖區(qū)空時阻塞，這可能導(dǎo)致時序違規(guī)。PerfMan 能夠進(jìn)行精確的性能分配，將緩沖保持在最低限度并減少內(nèi)存占用。該算法可以處理硬、軟、

如果應(yīng)用程序執(zhí)行圖被量化為簡單的性能參數(shù)，并且在重要時知道截止日期，那么算法將動態(tài)調(diào)度以及時滿足截止日期。即使是非實時應(yīng)用程序也需要一些性能分配以避免無限期延遲。分配應(yīng)用程序所需的最少處理器資源會提高系統(tǒng)利用率，從而可能產(chǎn)生更高的工作負(fù)載。該方法不依賴于嚴(yán)格的優(yōu)先級，盡管可以使用它們。執(zhí)行的優(yōu)先級或順序是應(yīng)用程序在等待輪到運行時表現(xiàn)出的緊迫性的直接結(jié)果，這是要執(zhí)行的基本工作/已完成工作范式的函數(shù)。

擴(kuò)展到更多維度

如果任務(wù)已準(zhǔn)備好在現(xiàn)有操作系統(tǒng)中運行，它們將運行，但它們需要嗎？如果操作系統(tǒng)知道它不會影響它們的操作，它們可以被延遲（強制空閑）嗎？

了解每個任務(wù)的時間以及它是否正在運行或等待運行相對于其完成進(jìn)度，允許軟件自動確定最小時鐘速度和運行時間。因此，在所有負(fù)載條件下，一切都按時完成。將時鐘速度與瞬時工作負(fù)載相匹配并不意味著時鐘速度總是最小化。低能耗的目標(biāo)有時需要在空閑之后出現(xiàn)高速爆發(fā)，例如英特爾的 HUGI。但即便如此，運行速度超過最佳利用率（每單位時間執(zhí)行的操作）所表明的速度并沒有任何好處。等待內(nèi)存操作完成時的快速時鐘不會節(jié)省能源。

該算法“以最低能耗實現(xiàn)最高利用率/工作負(fù)載”的口號在很大程度上是通過管理所有性能資源的閉環(huán)算法來實現(xiàn)的。

在多核系統(tǒng)中，不能同時實現(xiàn)負(fù)載均衡、多線程屏障延遲低和總能耗最低。為了解決這個問題，可以將 PerfMan 配置為優(yōu)化一個或多個性能屬性。如果以最低能耗為目標(biāo)，一個不平衡的系統(tǒng)，其中一些內(nèi)核負(fù)載高，而其他內(nèi)核為空并因此關(guān)閉，可能會以更長的執(zhí)行延遲和整體較低的性能為代價提供最低的能耗。

加速線程以減少屏障延遲也會導(dǎo)致更高的能耗。但是，滿足最后期限（硬的或軟的）優(yōu)先于所有其他考慮。精確的基于閉環(huán)的性能資源分配算法可以安全地保持更高的工作負(fù)載水平，這反過來又可以比現(xiàn)有方法更進(jìn)一步地推動核心整合，從而實現(xiàn)更高的能耗降低。

在 VMX Linux 上實現(xiàn)

PerfMan 已實現(xiàn)為獨立于駐留操作系統(tǒng)運行的瘦內(nèi)核 （sdKernel）。它已被移植到 Linux 2.6.29 （VMX Linux），如圖 2 所示。Android 移植即將完成。該軟件接管了 Linux 任務(wù)調(diào)度并與現(xiàn)有的電源管理基礎(chǔ)架構(gòu)互通。sdKernel 的一個單獨版本提供虛擬化并支持在符合 POSIX 的環(huán)境中的硬實時任務(wù)。調(diào)度/上下文切換在許多平臺上處于亞微秒級，但由于大多數(shù) Linux 系統(tǒng)調(diào)用對于硬實時應(yīng)用程序來說太慢了，因此 sdKernel 為基本外圍設(shè)備、定時器和其他資源提供了 API。

圖 2：在 Linux 實施中，PerfMan 接管 Linux 任務(wù)調(diào)度并與現(xiàn)有的電源管理基礎(chǔ)架構(gòu)互通。

通過監(jiān)控性能，該軟件可以檢測異常的執(zhí)行模式，從而預(yù)測即將到來的操作系統(tǒng)恐慌和崩潰。在這種情況下，sdKernel 將通知關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序停止使用 Linux 系統(tǒng)調(diào)用，并在 Linux 重新啟動時臨時切換到 sdKernel API（安全模式）。

VMX Linux 支持實時和非實時應(yīng)用程序的混合，具有高效的性能隔離，同時將能耗降至最低。它還可以提供硬件隔離/安全和安全迫降。

基準(zhǔn)測試顯示結(jié)果

使用 VMX 設(shè)計的能量計實時測量的能量消耗為系統(tǒng)累積并與各個應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)。媒體播放器應(yīng)用程序（視頻和音頻）首先使用標(biāo)準(zhǔn) Linux 2.6.29（圖 3 紅色圖表）和 VMX Linux（圖 3 藍(lán)色圖表）在 OMAP35xx BeagleBoard 上運行。

圖 3：在 OMAP35xx BeagleBoard 上使用 VMX Linux 可實現(xiàn) 95% 的平均負(fù)載并及時完成。

性能合規(guī)性（Perf Compl 圖）顯示應(yīng)用程序任務(wù)按時完成的距離（中心線）。線下方表示違反截止日期。請注意，使用 VMX Linux，可以實現(xiàn) 95% 的平均負(fù)載，而無需預(yù)緩沖，也不會違反最后期限，但它已經(jīng)接近了。使用 VMX Linux 時，46 秒視頻的總電路板能耗從 68.7 W*sec 下降到 27.6 W*sec。顯示的數(shù)據(jù)代表預(yù)設(shè)時間間隔內(nèi)的平均值。作為額外的獎勵，當(dāng) Linux 被故意崩潰時，視頻會消失，但音樂會在安全模式下播放，不會出現(xiàn)任何可聽見的故障。

簡而言之，該實施創(chuàng)造了一種新的績效管理方法，并取得了令人興奮的結(jié)果。

審核編輯：郭婷