一种面向低压微控制器的硅验证全局历史感知任务内 DVFS 控制方法

《Microelectronics Journal》：A Silicon-Validated Global-History-Aware intra-task DVFS control method for low-voltage microcontrollers

　　

摘要

本文提出了一种面向支持DVFS或自适应电压与频率调节（AVFS）的低电压微控制器（MCU）的硅片验证的全局历史感知任务内动态电压与频率调节（DVFS）方法。该方法称为GH-ROEP，通过将以程序控制流图（CFG）为表达的执行剩余最优路径（ROEP）调度变换为一种保留历史相关分支状态的二叉树表示，从而对其进行扩展。分支节点融合过程利用芯片校准的电压—频率模型生成以全局历史为索引的查找表（LUT）。在运行期间，调度器根据执行历史、剩余工作量和截止时间信息选择所需频率，而底层AVFS硬件负责调整工作电压。该方法在流片制造的110纳米超低泄漏Cortex-M3 MCU上进行评估。在理想化的生成任务设定下，GH-ROEP相对于ROEP在具有混合历史相关强度的各类工作负载上平均降低了3.12%的功耗。在开启运行时控制与电压—频率调节的真实程序测量中，在强相关工作负载情境下，功耗降低幅度达到相对于ROEP的14.95%。这些结果表明，程序感知的功耗管理在低电压MCU上具有进一步的优化空间。

引言

能效是电池供电的物联网（IoT）和边缘设备面临的关键设计约束。其嵌入式处理器所消耗的电量直接影响电池使用寿命和维护需求。除低压运行、时钟门控等电路技术外，动态电压与频率调节（DVFS）通过根据计算需求自适应调整工作电压与频率来降低处理能耗[1]、[2]、[3]。

低压运行还要求供电电压与时钟频率必须与电路时序兼容。自适应电压与频率调节（AVFS）提供了硬件支持，使该系统可根据运行条件调整这一关系。尽管AVFS硬件使软件能够进行细粒度的工作点调整，但选择当前任务所需的性能仍是一个调度问题：该决策取决于剩余工作量、执行进度和截止时间。因此，程序感知的DVFS调度与底层AVFS机制起到互补作用。

按照调度粒度划分，DVFS方法可分为任务间和任务内方法[1]、[4]。任务间DVFS在任务调度边界处选择工作点。任务内DVFS在任务内部进行调整，并随着执行路径变得可知而回收松弛时间。本文聚焦于微控制器（MCU）上的一个结构已知、非抢占式的任务，其执行路径依赖输入数据并指定了截止时间。该设定允许在部署前进行程序分析与策略生成，并在运行时仅通过查找表（LUT）访问和轻量算术运算完成控制。

剩余最坏情况执行路径（RWEP）方法[2]和剩余最优执行路径（ROEP）方法[3]是两种代表性的任务内调度器。两者均将程序划分为基本块并使用控制流图（CFG）描述执行流程。RWEP根据剩余最坏情况工作量和剩余时间选择频率；当执行走向较短分支时，则降低频率以回收释放的松弛时间。ROEP进一步将路径概率纳入预期能耗优化。它可以在共享块上分配更多时间，同时保留在不太可能发生、却较长的后继路径上加速的能力。这些不同的工作量描述方式促使在保留截止时间约束的同时，采用感知概率的调度方法。

后续研究将这些思想扩展到实际实现条件。对于剩余最坏情况调度，Tatematsu等人[5]利用执行轨迹识别并对检查点进行排序，同时考虑处理和转换开销；Chaturvedi等人[6]引入了泄漏—温度相关性和相邻速度等级下的执行。Pinheiro等人[7]结合任务内代码插入与初始频率选择以及多任务可调度性。对于概率加权能耗优化，Qin等人[4]使用整数线性规划（ILP）形式化了离散频率分配问题。其ILP(1)形式假设转换开销为零，而ILP(2)在恒定的转换能量和转换时间代价下还确定转换位置。在任务粒度层面，M?kikyr?等人[8]在亚阈值处理器上优化执行频率。这些研究处理了围绕任务调度的工作点和实现约束问题。

对于低电压MCU上的基于概率的调度，仍有两个方面值得注意。第一，ROEP基线所使用的电压—频率正比近似未能捕获所表征的低压关系中的截距。这影响到用于分配执行时间的能耗—时间权衡。第二，在每个CFG节点上的单一聚合转换概率标注可能掩盖了对先前分支结果的依赖。到达同一原始程序位置的不同历史可能暗示不同的后续路径分布，因为分支条件共享数据，或者先前的分支会修改后续的判定条件[9]。保留这些信息可使得剩余工作量描述能够反映已观测到的执行历史。

我们提出一种基于ROEP的全局历史感知方法，称为GH-ROEP，用以解决上述两个方面的问题。将CFG变换为一棵具有独立历史条件状态的二叉树。分支节点融合过程利用芯片校准的低压模型推导等价的剩余工作量，并将其存储在以历史为索引的LUT中。在运行期间，调度器将检索到的工作量与剩余时间结合，检查截止时间可行性，并向AVFS硬件请求所需频率。该方法在一个流片MCU上通过生成任务、真实基准程序以及与ILP(1)和ILP(2)的离散工作点对比进行评估。

本文的主要贡献如下：

• 1.
  一种CFG到二叉树的变换，根据先前的分支历史将合并状态分离，从而能够显式表示不同的条件路径分布。
• 2.
  一种分支节点融合过程，将校准的低压模型纳入等价工作量生成中。离线融合和LUT构建支持运行时决策，而无需重复数值优化。
• 3.
  一个完整的任务内DVFS流程，将基于历史的工作量估计和感知截止时间的频率选择与底层AVFS硬件连接起来。硅片测量显示，在强相关工作负载设定下，相对于ROEP最高可降低14.95%的功耗，并额外测量了在公共离散工作点下各方法的对比。

第2节介绍调度和能耗模型并对比相关方法。第3节阐述历史表示和节点融合。第4节描述离线预处理和运行时控制。第5节呈现实验方法和结果。第6节总结全文。

章节摘要

任务内DVFS模型

考虑一个结构已知、非抢占式的任务，它必须在指定截止时间内完成。输入数据、条件分支和循环行为可能产生不同的执行路径。任务内DVFS利用当前执行的进展情况来选择工作点，而不是为整个任务分配单一固定的工作点。

程序被划分为基本块并由CFG表示。每个节点被标注执行周期数，每条有向边

从CFG到二叉树

典型的CFG包含节点间的三种关系，如图3所示：(i)由单一前驱和单一后继构成的顺序关系（图3(a)）；(ii)具有一个前驱和多个后继的分支关系（图3(b)）；以及(iii)具有多个前驱和单一后继的合并关系（图3(c)）。

顺序关系可以在二叉树中直接匹配而无需修改。多路分支通过插入辅助的NULL

实现

CFG提取可由LLVM[11]等编译器基础设施支持；因此，本节聚焦于所提出的CFG到二叉树变换、节点融合、LUT构建和运行时DVFS流程。从CFG到二叉树的转换已在上述部分说明。给定一个指定的程序，所提出的DVFS算法通过五个步骤实现。步骤1–4在部署前离线执行。步骤1–2见算法1，步骤3–4见

测试平台与方法

测试平台是一个采用110纳米超低泄漏（ULL）工艺实现的流片Cortex-M3 MCU。它集成了直流—直流（DC—DC）转换器和低压差（LDO）稳压器。基于可调副本振荡器（TRO）的AVFS系统[12]既支持针对目标频率的自动电压调整，也支持针对目标电压的自动频率调整。图7、图8分别展示了芯片照片和测量装置。电压—频率关系在室温下进行表征

结论

本文提出了GH-ROEP，一种面向具备AVFS硬件支持的低电压MCU的全局历史感知任务内DVFS方法。历史条件树状态与校准的电压—频率模型结合用于离线的分支节点融合，而运行时通过LUT访问和剩余时间评估来确定所需频率。在理想化的生成任务设定下，相对于ROEP的平均功耗降低为3.12%，最大观测降低幅度为10.88%。真实程序测量包含

CRediT作者贡献声明

王昭旭：概念构思、方法论、软件、验证、形式化分析、调查研究、初稿撰写。周雪朋：软件、验证。邓玺：调查研究、验证、审阅与编辑。龚明阳：资源、调查研究。李振豪：资源、验证、审阅与编辑。于润泽：资源、审阅与编辑。刘政霖：指导、项目管理、资金获取、审阅与编辑。邹学诚：

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能被认为会影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

王昭旭 | 周雪朋 | 邓玺 | 龚明阳 | 李振豪 | 于润泽 | 刘政霖 | 邹学诚

华中科技大学 集成电路学院，中国 武汉