一种基于任务敏感的功耗控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于任务敏感的功耗控制方法，以TMS320C6678处理器为平台，由两部分组成：1)通过抽象提取多模式视频编码参数，建立一种任务敏感的处理器资源分配模型，该模型描述了任务量与处理器利用率之间的关系，为系统功耗控制方法提供技术基础。2)根据任务敏感的处理器资源分配模型，设计一种自适应的功耗控制器，通过实时监控系统的任务模式，动态调整处理器频率、电压和处理器工作核数，达到节省系统功耗的目的。
【专利说明】
_种基于任务敏感的功耗控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种功耗控制方法，尤其涉及多模式视频编码系统的低功耗技术，属 于低功耗嵌入式视频编码处理领域。
【背景技术】
[0002] 多模式视频编码一般是针对不同类型和不同分辨率的视频图像(可见光、红外以 及数码相片等)进行多种码率的实时编码，满足不同光照条件和传输带宽的应用需求，便于 突发事件(如交通事故、自然灾害等）的应急处理。然而随着系统复杂性的不断提高，嵌入式 系统对低功耗的要求决定了在追求高性能的同时，功耗控制成为一个需要解决的关键问题 之一。针对嵌入式系统的功耗问题研究人员已经做了大量的工作并取得一定的研究成果， 比较有代表性的是DVFS(Dynamic voltage and frequency scaling)技术，它根据不同程 序对计算资源的需求不同，动态调整处理器的运行频率和工作电压，从而实现对能耗的控 制。文献[1]提出通过改变输入电压及时钟频率来协调功耗及性能。为了准确的描述非对称 式多核嵌入式处理器的功耗效率及扩展趋势，文献[2]提出了一种新颖的功耗-性能扩展方 法，他们归纳出功耗-性能扩展的规律，将DVFS与多核扩展性联系了起来。文献[3 ]结合多任 务在多核处理平台的特定配置，动态调节处理器的频率，达到降低功耗的目的。文献[4]基 于嵌入式GHJ提出了一种软件管理的DVFS架构，通过分析GPU处理负载的变化从而证实了 DVFS在GPU上的可用性。
[0003] 近些年，很多研究专注于通过任务调度来实现节约能耗，这类能耗敏感的任务调 度根据不同的任务动态的调整电压及频率，为有效的节约能耗提供了可行的方案。文献[5] 结合动态内存管理和DVFS技术，通过实时内存监控机制来控制DVFS策略调整频率和电压， 降低系统功耗。文献[6]针对ARM嵌入式系统，提出了一种基于计算密度的DVFS算法，该方法 根据应用程序对访存的情况调整最优的频率。实验结果证明该方法与现有的嵌入式系统中 能耗控制方法相比具有一定的优势。考虑到在实际应用中任务的执行时间往往受到运行平 台、输入数据集等因素的影响呈现为一种概率分布，文献[7]针对多任务处理器系统提出了 一种能耗敏感的概率调度方法，该方法研究在满足一定时间概率的情况下，如何权衡功耗 与执行时间。
[0004] 根据目前的研究成果可知，DVFS技术可以有效控制嵌入式系统的功耗，然而对于 某些嵌入式处理器而言，其部分外围接口的工作时钟是有处理器频率分频得到的，因此处 理器频率过度的降低将会影响系统正常的数据传输。本发明以TMS320C6678(以下简称 C6678)为处理平台，在处理多模式视频时，由于任务负载不同，采用DVFS策略可以通过控制 处理器频率减少功耗，但是过多的降低C6678的频率将对其他资源(如EMIF接口、共享存储 管理等)产生影响，甚至无法满足数据传输的需求，针对这个问题，本文面向多模式视频编 码结，结合C6678处理器特性和DVFS技术提出了一种基于任务敏感的功耗控制方法(Task-aware Power Control Method based on DVFS ，TAPCM-DVFS)〇
[0005] 参考文献
[0006] [1] .Nakai,M.,et al.,Dynamic voltage and frequency management for a low-power embedded microprocessor.Solid-State Circuits , IEEE Journal of, 2005.40(l):p.28-35.
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【发明内容】
[0013] 本发明所要解决的技术问题：本发明以TMS320C6678(以下简称C6678)为处理平 台，面向多模式视频编码系统，针对采用DVFS技术过多的降低工作频率将对其他资源（如 EMIF接口、共享存储管理等)产生影响，甚至无法满足数据传输的需求的问题，提出了一种 基于任务敏感的功耗控制方法，在工作任务小候时，可以进一步降低系统功耗。
[0014] 本发明技术解决方案:一种基于任务敏感的功耗控制方法，以TMS320C6678处理器 为硬件平台，根据多模式视频编码的任务量控制系统功耗，实现步骤如下：
[0015] 步骤（1)，抽象提取多模式视频编码参数，视频编码系统需要支持L种编码任务模 式，每种任务模式采用一个七元组描述，即第i种任务模式表示为Mi= <hi，Wi，bi，Ci，fi，Ti， Ti>，其中K i <L，hi，wi，bi，ci分别表示视频的分辨率高、分辨率宽、码率、像素位宽，称为 视频编码参数;h表示视频帧率;h表示单帧视频编码的平均最长处理时间，其值由任务模 式中的视频帧率决定，即1^ = 1/^;^为单帧视频编码的平均处理器处理周期，表示第i种模 式的任务量，在实际应用中通过实时统计连续η帧视频编码的处理器处理周期再取平均值；
[0016] 步骤(2)，根据不同模式视频编码任务量不同，建立一种任务敏感的处理器资源分 配模型，该模型描述了任务量与处理器工作频率以及处理器工作核数之间的关系；
[0017] 步骤(3)，根据任务敏感的处理器资源分配模型，设计自适应的功耗控制器，通过 实时监控系统的任务模式，动态调整处理器频率、电压和处理器工作核数，控制系统功耗。
[0018] 所述步骤(2)中任务量与处理器工作频率的关系为：
[0019]
(1)
[0020] 其中F为处理器工作频率；
[0021] ^是在任务i时系统实时统计值，具体大小与视频编码参数、编码算法和视频内容 因素有关;fi是视频帧率，其值由编码任务模式决定;η和λ分别为用户设定的处理器利用率 值和误差范围。
[0022]所述的步骤(2)中任务量与处理器工作核数的关系为：
[0023] (2)
[0024]其中％表示为基于数据并行处理的视频编码方式下，在从任务i转到任务j时DSP 的工作核数；分别为任务i和任务j时处理器的总任务量，其中[」表示向下取 整，1彡Nj彡8，1彡Ni彡8并且Nj，Ni均属于整数集。
[0025] 所述的步骤(3)中的自适应的功耗控制器的自动状态机模型，采用 表^Γ^，其中：
[0026] (1)状态集合左=4 其中So为事件实时检测状态，实时检测模式切换命 令，根据命令内容判断进入处理器处理性能调整状态，31表明正在执行资源调整，为任务量 较大的工作模式分配更多的处理器资源，提高处理器处理性能，使其符合任务需要，&表明 正在执行资源调整，在满足任务需求的基础上，降低处理器的处理性能，节省能耗；
[0027] (2)事件集合f = "，x2, za，和X2分别表示检测到系统从小任务量向大任 务量切换和系统从大任务量向小任务量切换的命令有效，X3和X4表示处理器性能调整操作 完成；
[0028] (3)操作集合I = {/i，/^，^和^表明执行处理器资源调整操作^卩根据任务需求 来提高或降低处理器的处理性能；
[0029] (4)状态转换函数J : $ X 4 !，.表明控制器根据当前的状态和事件的类型决 定下一刻的状态；
[0030] (5)输出函数供：4 表明控制器在不同状态下将做出不同的操作，具体定义 为 Φ (Si)=ri，Φ (S2)=r2。
[0031] 功耗控制器初始状态为So,当事件X1Sx2发生时进入状态并做出相应的控 制动态r^r2,当r^r2执行结束后，控制器自动回到状态S〇，SdPS2为瞬间状态，它们随着 控制动作的结束而自动结束，操作动作^表示提高处理器的处理性能;操作动作^表示降低 处理器的处理性能。
[0032] 所述的操作动作^的具体操作过程为：
[0033]如果当前工作核数Ncur小于8并且调整后工作核数小于等于8时，DSP的工作核数需 调整为Nadj，DSP的工作频率为800MHz ;如果调整后工作核数大于8时DSP的工作核数需调整 为8,由式（1)得到DSP的工作频率调整为Fadj;如果当前工作核数大于等于8时，DSP的工作核 数为8，由式（1)得到DSP的工作频率调整为Fadj。
[0034]所述的操作动作r2的具体操作过程为：
[0035] 如果当前工作频率大于800MHz并且调整后工作频率大于等于800MHz时，DSP的工 作核数需调整为8，由式（1)得到DSP的工作频率调整为Fadj;如果DSP调整后的工作频率小于 800MHz时由式(2)得DSP的工作核数调整为Nadj，DSP的工作频率为800MHz;如果当前工作频 率等于800MHz时，由式(2)得DSP的工作核数调整为N adj，DSP的工作频率为800MHz。
[0036] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0037] (1)本发明通过分析视频编码任务，建立了任务量与处理器性能之间的关系模型， 为系统功耗控制提高依据。
[0038] (2)根据视频编码任务量的不同，动态调节DSP的工作频率和工作核数，比传统的 使用DVFS策略只调节处理器频率相比可以更进一步控制系统功耗。
[0039] (3)本发明实现简单，不同增加额外的硬件设计，并且方便移植到可以动态调节工 作频率和工作核数的其他处理器上。
【附图说明】
[0040] 图1为本发明方法实现流程图；
[0041 ]图2为本发明中控制器的自动机状态机模型；
[0042]图3为本发明中提高DSP处理性能的操作方法；
[0043]图4为本发明中的降低DSP处理性能的操作方法；
[0044] 图5为多模式视频图像编码处理板实验平台。
【具体实施方式】
[0045] 本发明所述基于任务敏感的功耗控制方法由两部分组成：（1)通过抽象提取多模 式视频编码参数，建立一种任务敏感的处理器资源分配模型，该模型描述了任务量与处理 器利用率之间的关系，为系统功耗控制方法提供技术基础。（2)根据任务敏感的处理器资源 分配模型，设计一种自适应的功耗控制器，通过实时监控系统的任务模式，动态调整处理器 频率、电压和处理器工作核数，达到节省系统功耗的目的。
[0046] 本发明所述基于任务敏感的功耗控制方法具体如下：
[0047]由CMOS电路的功耗特性可知，采用DVFS技术实现功耗优化是处理器的一个主要节 能方式，它在一定范围内降低小负载处理器的频率和电压，使得在满足性能需求的基础上， 减小能耗。TMS320C6678作为频率可调节的嵌入式多核处理器，可通过减小处理器频率和减 少工作核数来降低处理器功耗。如表所示，在处理核的平均利用率为80%，工作温度为50 °C，只开启DDR3控制器、SRI0和共享存储资源的条件下，TMS320C6678处理器不同主频条件 的性能、功耗比较。
[0048] 表1 C6678处理器不同主频条件的性能和功耗
[0049]
[0050] 因此，本发明结合不同处理模式的任务量动态调整DSP的频率和工作核数量，在满 足任务处理需求的基础上，避免DSP利用率太小而导致的功耗浪费，实现降低系统功耗的目 标。
[0051] 如图1所示，本发明以TMS320C6678为硬件平台，根据多模式视频编码的任务量控 制系统功耗，具体实施如下：
[0052]第一步，多模式任务描述
[0053]为了便于描述，假设视频编码系统需要支持L种编码任务模式，每种任务模式可用 一个七元组描述，即第i(1 <L)种任务模式可表示为Mi = <hi，Wi，bi，Ci，fi，Ti，>，其中 hi，wi，bi，ci分别表示视频的分辨率(高、宽）、码率、像素位宽，该文称其为视频编码参数;fi 表示视频帧率表示单帧视频编码的平均最长处理时间，其值由任务模式中的视频帧率 决定，即= 单帧视频编码的平均DSP处理周期，可以表示第i种模式的任务量，在 实际应用中通过实时统计连续η帧视频编码的DSP处理周期再取平均值。注意η的取值会影 响统计的准确性和配置调整的延时，需要进行折中处理。针对从小任务量处理模式到大任 务量处理模式的调整，为了避免因统计任务量而造成的系统负载过重问题，在实际应用中， 可以将这种情况下的系统配置先调整到最高性能，在保证系统功能和性能的基础上，再进 行配置调整。
[0054]在获得任务量的基础上，第i种模式中单帧视频编码的平均处理时间ti可表示为：
[0055] h =Jx6(3)
[0056] 其中F为DSP的工作频率。
[0057]第二步，任务敏感的资源配置模型
[0058]假设在任务i的执行周期内DSP的利用率为ru，结合式(3)可有：
[0059] (4)
[0060] 其中τι是系统实时统计值，具体大小与视频编码参数、编码算法和视频内容等因 素有关是视频帧率，其值由编码任务模式决定。由式(4)可知DSP的利用率ru与DSP的主频 之间成反比关系。在实际应用中，由于视频内容不断变化，结合视频编码原理可知，运动较 剧烈的视频所消耗的处理周期较多，即任务量较大，而运动平缓的视频消耗的处理周期较 少，即任务量较小，因此在同一视频任务模式下DSP的利用率也不是一个固定的值。为了避 免DSP利用率太低而造成的功耗浪费，需要根据任务量的变化动态调节DSP处理性能将其利 用率控制在一个相对稳定的范围内，即：|ru-n|彡λ，其中η和λ分别为用户设定的DSP利用率 值和误差范围。为了保证满足所有任务的需求，可根据最大的任务负载设定η和λ。因此可以 有：
[0061] (5)
[0062] 由式(5)可得：
[0063] (6)
[0064] 根据式(6)的计算结果从表中选择DSP的主频进行调整，为了满足任务处理功能， 如果有多个符合条件的DSP主频，则选择较大的进行调整。
[0065] 根据电路动态功耗特性可知，在执行任务i时，DSP的主频越大，其功耗越高，反之 亦然。然而，当DSP的主频为800MHz时，如果DSP的利用率仍然过小则可考虑对处理器工作核 的数量进行调整，即通过关闭部分处理核进一步降低系统功耗。由于DSP工作核数量的改变 会影响算法的处理流程，因此为了尽量减小功耗控制方法复杂性，下面工作核调整模型的 建立是基于数据并行的视频编码算法。
[0066]在基于数据并行处理的视频编码方式下，视频数据将按照多核处理器工作核的数 量将视频分成相应的数据块分配到各个处理核进行编码。所以假设在任务i的执行周期内 DSP的利用率ru满足lni-η^λ条件时的工作核数为NidSNiSs)，每个工作核的任务量为 <，则总任务1
自任务模式调整为任务j时，每个工作核的任务量为<(假 11=1 , 设4 < φ，则在满足视频编码任务需求的基础上，为了进一步减少DSP空闲造成的功耗损 失，可以根据任务量的变化调整DSP的工作核数，使得DSP的利用率m任然满足Ιιυ-τ?^λ。
[0067] 因为TMS320C6678是同构多核处理器，每个工作核的性能相同，并且在基于数据并 行的视频编码处理方式下，分配给每个工作核的数据量基本相同，因此在任务i的执行周期
内每个核的平均任务量 当任务模式由i调整为j时，DSP的总任务量减少值 〇
，所以可以减少的工作核数彡 ?中L」表示向下取整。所以 综上所述，在任务模式为j时，DSP工作核数Nj为：
[0068] (7)
[0069] 其中并且Nj，Ni均属于整数集。由式(7)可知，通过调整DSP的工 作核数量可以改变DSP的利用率。ru可由式(4)获得，在实际应用中，为了保证调整后DSP的 处理性能可以满足系统功能的需求，在可行解中选择满足|ιυ-η|<λ条件下的最大工作核 数。
[0070] 第三步，任务敏感功耗控制其的设计
[0071] 为了实现系统功耗的自动控制，需要结合不同模式的视频编码和功耗控制模型设 计一个自适应功耗控制器，通过该控制器可以实时监控系统任务模式，并依据不同模式的 任务需求动态调整DSP频率和工作核数量，达到降低功耗的目的。控制器自动状态机模型如 图2所示，可采用= g，i，l 一表示。具体如下：
[0072] 1)状态集合I = (&,,5；，士[其中So为事件实时检测状态，实时检测模式切换命 令，根据命令内容判断进入DSP处理性能调整状态。51表明正在执行资源调整，为任务量较 大的工作模式分配更多的DSP资源，提高DSP处理性能，使其符合任务需要。&表明正在执行 资源调整，在满足任务需求的基础上，降低DSP的处理性能，节省能耗；
[0073] 2)事件集合f = h，x2, x:i，xixi和X2分别表示检测到系统从小任务量向大任务 量切换和系统从大任务量向小任务量切换的命令有效。X3和X4表示DSP性能调整操作完成；
[0074] 3)操作集合f 和〇表明执行DSP资源调整操作，即根据任务需求来提 高或降低DSP的处理性能；
[0075] 4)状态转换函数(y:1?x无4互，表明控制器根据当前的状态和事件的类型决定下 一刻的状态；
[0076] 5)输出函数表明控制器在不同状态下将做出不同的操作，具体定义为 Φ (Si)=ri，Φ (S2)=r2。
[0077] 图1控制器的自动机状态机模型，功耗控制器初始状态为So,当事件X1(或χ2)发生 时进入状态Si(或S 2)，并做出相应的控制动态。(或〇)。当。(或r2)执行结束后，控制器自动 回到状态So。Si和S 2为瞬间状态，它们随着控制动作的结束而自动结束。
[0078] 操作动作^表示提高DSP的处理性能，如图3所示;操作动作^表示降低DSP的处理 性能，如图4所示。具体描述如下。 「00791
[0080] 实验对比及结果分析
[0081] 1)实验方案
[0082] 结合多模式实时视频编码系统的任务需求，其常用的工作模式包括7种，即L = 7。 具体任务属性描述如表2所示。在高清可见光视频实时处理状态下，由于需要处理的视频数 量最大，所以在使用相同编码算法的基础上，要求DSP的处理性能最高。视频编码的任务量 ^需要通过系统测试得到，在本发明中通过实时统计连续50帧视频编码的DSP处理周期再 取平均值。
[0083]表2多模式实时视频编码任务属性描述
[0084]
[0085」由表2可知，根据不同的任务模式，结合C6678功耗优化特性，在满足任务处理性能 的基础上，可通过两种方式进行功耗控制：第一，执行任务时，实时检测DSP状态，在其空闲 时，降低DSP的频率和资源配置;第二，根据任务模式不同，动态调整DSP频率和资源配置，提 高DSP利用率，避免空闲状态。从理论上分析，这两种方式都可以控制DSP功耗。然而在具体 操作时，准确的判断处理器工作状态转换点是功耗控制方法有效实现的关键。针对第一种 方式，DSP空闲一般会出现在一帧数据处理完成和下一帧开始处理之间，由于这段时间在毫 秒级，而且频繁出现，如果频繁的调整DSP频率和资源会引入大量额外的开销，因此第一种 方式在工程设计中不实用;对于第二种方式，只有在任务模式切换时进行DSP频率的调整， 因为每种任务模式的执行周期比较长，短则几分钟，长则几个小时，而且任务切换是通过控 制命令实现的，切换的时间点容易判断，便于操作，因此选择第二种处理方式比较合适。
[0086] 实验平台选用基于C6678自主设计的多模式实时视频编码处理板，搭建专用的测 试环境，组建如图5所示的多模式视频图像编码处理板实验平台。该平台包括专用发送板、 多模式实时视频编码处理板和接收板，其中专用发送板实时发送不同模式的视频数据，多 模式实时视频编码处理板实时采集视频数据并进行编码处理，最后将编码后的码流传入接 收板进行解码显示。在进行多模式实时视频编码处理板设计时，C6678的电源选择TI的UCD 系列电源管理芯片进行控制和实时监控，所以测量DSP的功耗可以配合使用PMBus接口工具 和TI的Fusion Digital Power Designer软件完成。
[0087] 2)实验结果分析
[0088] 每种任务模式的主要参数包括视频分辨率、帧率、像素位宽和码率等。编码处理采 用最新的HEVC视频编码算法，经过优化后在C6678上执行。为了验证该文提出的功耗控制方 法的效果，在相同条件下，分别对不使用功耗控制方法、使用DVFS方法和使用该文方法进行 实验，表3为不使用和使用DVFS功耗控制方法的实验结果，表4为使用该文的功耗控制方法 的实验结果。根据实验评估，设定η和λ分别0.7和0.1。
[0089] 由实验结果可知，当不使用功耗控制方法时，不同任务模式所产生的平均功耗也 有所不同，如在进行高清视频编码时，功耗最高。在系统刚加电时，无任务状态的功耗最低， 其余几个任务模式的平均功耗也不尽相同，但是总体相差不大，主要原因在于CMOS电路的 动态功耗与电路中电平翻转的次数有关，当无任务或需要处理的数据量少时，DSP负载就会 小，所以产生的功耗较低。对于使用功耗控制方法的实验结果，可以看到其功耗明显降低， 在无任务状态下，采用本文提出的TAPCM-DVFS方法，将DSP处理器核关闭，最大程度上减少 了系统空闲状态，其平均功耗比无功耗控制时降低了 47.1%。在处理最小负载任务模式M7 时的功耗比处理最大负载任务模式M2的功耗节省了 37%。不考虑无任务模式，无功耗控制 方法和使用本文的TAPCM-DVFS功耗控制方法时，处理单帧视频的平均能耗节省23.7 %。采 用DVFS策略的功耗控制方法处理器频率为800MHz以上，并且需要工作核数为满负荷时与该 文方法具有相近的效果。但是随着负载进一步减小，由于C6678已不便于再调节频率，而此 时采用该发明提出的方法减少工作核数以进一步降低系统功耗。
[0090] 表3不使用和使用DVFS功耗控制方法实验结果
[0091]
[0092] 表4使用TAPCM-DVFS的功耗控制方法实验结果 [0093]
[0094]提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本 发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修 改，均应涵盖在本发明的范围之内。
【主权项】
1. 一种基于任务敏感的功耗控制方法，其特征在于：以TMS320C6678处理器为硬件平 台，根据多模式视频编码的任务量控制视频编码系统功耗，步骤如下： 步骤（1)，抽象提取多模式视频编码参数，假设视频编码系统需要支持L种编码任务模 式，每种任务模式采用一个七元组描述，即第i种任务模式表示为Mi= <hi，Wi，bi，Ci，fi，Ti， Ti >，其中K i < L，hi，Wi，bi，Ci分别表示视频的分辨率高、分辨率宽、码率、像素位宽，称为 视频编码参数;A表示视频帧率;T 1表示单帧视频编码的平均最长处理时间，其值由任务模 式中的视频帧率决定，即T1 = IA1^1为单帧视频编码的平均处理器处理周期，表示第i种模 式的任务量，在实际应用中通过实时统计连续η帧视频编码的处理器处理周期再取平均值； 步骤(2)，根据不同模式视频编码任务量不同，建立一种任务敏感的处理器资源分配模 型，该模型描述了任务量与处理器工作频率以及处理器工作核数之间的关系，为动态调整 处理器频率、电压和处理器工作核数提供依据。2. 根据权利要求1所示的基于任务敏感的功耗控制方法，其特征在于:所述步骤(2)中 任务量与处理器工作频率的关系为：其中F为处理器工作频率;^是在任务i时系统实时统计值，具体大小与视频编码参数、 编码算法和视频内容因素有关;A是视频帧率，其值由编码任务模式决定;η和λ分别为用户 设定的处理器利用率值和误差范围。3. 根据权利要求1所示的基于任务敏感的功耗控制方法，其特征在于:所述的步骤(2) 中任务量与处理器工作核数的关系为：其中Nj表示为基于数据并行处理的视频编码方式下，在从任务i转到任务j时DSP的工作 核数;Tftai和r丨广i分别为任务i和任务j时处理器的总任务量，其中U表示向下取整，KNj 彡8,1彡Ni彡8并且Nj，Ni均属于整数集。
【文档编号】H04N19/196GK105933702SQ201610245186
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】曹倩, 刘新亮, 孙践知, 李海生, 王雯, 王世民
【申请人】北京工商大学