現(xiàn)在對系統(tǒng)設(shè)計者來說，在系統(tǒng)設(shè)計過程中除了考慮系統(tǒng)性能外，又面臨一個新的挑戰(zhàn)——降低系統(tǒng)的能量消耗。該挑戰(zhàn)來自于以下幾個因素：第一，越來越多的手持設(shè)備系統(tǒng)利用電池供電，必須通過降低功耗來延長電池的壽命；第二，半導體工業(yè)的迅速發(fā)展在使系統(tǒng)集成度和時鐘頻率顯著提高的同時也導致系統(tǒng)的功耗急劇上升，不僅產(chǎn)生了熱量釋放的問題，而且也給系統(tǒng)的封裝費用和穩(wěn)定性帶來了巨大的影響；第三，能量價格的上浮、綠色電器的深人人心以及人們對環(huán)境問題的關(guān)心程度越來越高，也進一步說明了系統(tǒng)低功耗設(shè)計的重要性。

    DPM是一種應用非常廣泛的低功耗設(shè)計策略，其首要目的就是當系統(tǒng)處于欠載狀態(tài)時使得功耗最低。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)提出了許多DPM策略，諸如TimeOut技術(shù)、預測技術(shù)、隨機技術(shù)、會話聚合預測技術(shù)等。DPM策略的性能主要取決于對用戶行為的認識程度。也就是說，越熟悉用戶行為的規(guī)律，PM(PowerMan—agement，功耗管理)的質(zhì)量就越高；反之，PM質(zhì)量就越低。然而在實際生活中，工作負載的變化是隨機的。如果在設(shè)計DPM的過程中不考慮這些因素，通常很難得到一個穩(wěn)健和高質(zhì)量的DPM。

    DPM技術(shù)的應用將在系統(tǒng)的能耗與性能之間引入一種新的平衡。或者說，任何一種動態(tài)低功耗技術(shù)都是省電性能和系統(tǒng)性能之間的折衷。

    1DPM基本原理

    DPM應用的基本前提條件是，系統(tǒng)或者系統(tǒng)單元在正常的運行時間段內(nèi)處于非均勻的工作負載中。而工作負載的非均勻性在嵌入式系統(tǒng)和大多數(shù)交互式系統(tǒng)中是非常普遍的現(xiàn)象。

    DPM技術(shù)的本質(zhì)就是，根據(jù)系統(tǒng)工作負載的變化情況，有選擇地將系統(tǒng)資源設(shè)置為低功耗模式，從而達到降低系統(tǒng)能耗的目的。系統(tǒng)資源可利用丁作狀態(tài)抽象圖來構(gòu)建對應的模型，該模型中每個狀態(tài)都是性能和功耗之間的折衷。例如，一個系統(tǒng)資源可能包含Normal、Sleep兩種工作模式。其中S1eep狀態(tài)具有較低的功耗，但是也要花費一些時間和能耗代價才能返回到Normal狀態(tài)。狀態(tài)之間的切換行為由功耗管理單元所發(fā)送的命令來控制，其通過對丁作負載的觀察來決定何時以及如何進行工作模式的轉(zhuǎn)移。性能限制條件下的功耗最小化(或者功耗限制條件下的性能最大化)策略模型是一個受限的最優(yōu)化問題。

    圖1顯示了DPM的基本思想。我們可以將工作負載看成是多個任務請求的集合體。例如對硬盤來說，任務請求就是讀和寫的命令；對網(wǎng)卡來說，任務請求則包含數(shù)據(jù)包的收發(fā)兩個部分。當有任務請求(Request)時，設(shè)備處于工作(Busy)狀態(tài)，否則就處于空閑狀態(tài)(Idle)。從該概念出發(fā)，在圖1中的T1～T4時間段內(nèi)，設(shè)備處于Idle狀態(tài)，而在Idle狀態(tài)下則有可能進入到Sleep低功耗工作模式。該設(shè)備在T2點被關(guān)閉，并在T4點接收到任務請求而被喚醒；在這一狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中需要消耗一定的時間，圖1中的Tsd和Twu分別代表關(guān)閉和喚醒延時。就硬盤或顯示器而言，喚醒這些設(shè)備需要花費幾秒鐘的時間，而且喚醒一個處于Sleep工作模式下的設(shè)備還需要消耗額外的能量。也就是說，設(shè)備工作模式的轉(zhuǎn)變會帶來不可避免的額外開銷。如果沒有這些額外的開銷(包括時間和能量)，那么DPM本身就沒有任何必要了，因為任何設(shè)備只要一進入Idle狀態(tài)就立即將其關(guān)閉。因此，一個設(shè)備只有在所節(jié)省的能量能夠抵消這些額外開銷時才應該進入Sleep工作模式。決定一個設(shè)備是否值得關(guān)閉的規(guī)則就叫做“策略(policy)”。功耗管理過程中，一般只考慮設(shè)備在Idle狀態(tài)下的功耗，而不考慮處于Busy狀態(tài)時的功耗。

    由于設(shè)備在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生額外的時間和能量消耗，從而給DPM理論帶來了一個平衡時間的概念：TBE，S。TBE，S表示設(shè)備在S狀態(tài)下的省電平衡時間點(break—eventime)。在具體討論之前，首先定義如下變量(假設(shè)設(shè)備具有Normal、Sleep兩種工作模式)：

    Ton，off：設(shè)備從Normal工作模式切換到Sleep工作模式花費的時間；

    Toff，on：設(shè)備從Sleep工作模式切換到Norreal工作模式花費的時間；

    Pon，off：設(shè)備從Normal工作模式切換到Sleep工作模式過程中的功耗；

    Poff，on：設(shè)備從Skep工作模式切換到Normal工作模式過程中的功耗；

    Pon：設(shè)備在Normal工作模式下的功耗；

    Poff：設(shè)備在Sleep工作模式下的功耗；

    Ttarde-off：設(shè)備進入Sleep工作模式后不會帶來能量浪費的所需最小時間。

    從時域角度看，TBE，S包括兩個部分：一是狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間，即Ton，off+Toff，on；二是最小平衡時間Ttrade-off。通過圖2能更直觀地理解TBE，S。如果設(shè)備處于Sleep工作模式下的時間小于某個極限值，則該模式之間的轉(zhuǎn)換除了帶來性能的損失外，還會產(chǎn)生能量的額外消耗。圖2中隱含了DPM策略的一個前提條件，即

    式(1)成立的前提條件是在(Ton，off+Toff，on)時間段內(nèi)所消耗的能量大于Normal工作模式下的能量消耗；如果該前提條件不成立，就不會存在Ttarde-off，則TBE，S=Ton，off+Toff，on。

    假設(shè)設(shè)備處于Idle狀態(tài)下的空閑時間為Tidle(Tidle>TBE，S)，則進入Sleep工作模式后所能節(jié)省的能量，記為ES(Tidle)，可表示成：