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低功耗设计是嵌入式系统便携式设备设计的重要课题。利用缓冲区降低功耗是动态电源管理(DPM,Dynamic Power Management)中基于负载改变策略的一种。简单的缓冲区策略是基于数据顺序访问的前提,以简单的FIFO模型对数据进行读写,但是在实际嵌入式系统中,数据访问是多任务、多种模式的,简单的缓冲区策略会造成大量数据无效的替换和更新,导致设备频繁关闭和打开,达不到有效降低功耗的目的。
本论文首先详细阐述了DPM技术的原理,之后分析了简单的缓冲区策略的模型和能耗关系,总结了该策略的缺陷和适用范围。针对此缺陷,结合任务数据访问模式的特点,从缓冲区控制方法、大小计算和替换算法三个方面对简单的缓冲区策略进行了改进。改进后的策略根据顺序访问、循环访问和随机访问模式的特点设计了不同的控制方法。顺序访问模式采用FIFO模型控制,循环访问模式采用固定缓冲区大小控制,随机访问模式则引入Cache分块的特性,将缓冲区划分为若干块,分配缓冲区大小,数据读写和替换都是以块为单位进行的。在此基础上,设计了改进后的缓冲区低功耗策略的方案框架,该框架包含了任务请求模块和缓冲区总控制模块。缓冲区总控制模块根据不同的访问模式选择不同的策略,实现数据读写,数据替换和设备的功耗控制等功能。然后设计并搭建了改进后的缓冲区策略的仿真平台。最后,以微硬盘为研究对象,在不同数据访问模式的任务背景下,对简单缓冲区策略和改进后缓冲区策略的节能和性能进行了测试和分析比较。
仿真结果表明,改进后的缓冲区低功耗策略在多任务、多种数据访问模式并存的情况下,明显减少了数据的无效替换和更新,和简单的缓冲区策略相比,能够降低25%到35%的能耗。另外,改进后的缓冲区策略由于最大限度的利用数据交叠和重复使用的特点,减少了微硬盘关闭和打开的次数,从而减少了由于功耗模式切换而引起的延迟。