鑒于處理器和應用程序的復雜性增加，當前一代操作系統(tǒng)（OS）主要關注軟件完整性，而部分忽略了從現(xiàn)有硬件中提取最大性能的需求。

處理器的性能與操作系統(tǒng)允許的一樣。嵌入式或其他計算平臺不僅包括物理資源（內存、CPU 內核、外圍設備和總線），通過資源分區(qū)（虛擬化）進行管理，還包括性能資源，如 CPU 周期、時鐘速度、內存和 I/O 帶寬，以及主/緩存內存空間。這些資源通過優(yōu)先級或時間片等古老方法進行管理，或者根本不管理。結果，處理器未得到充分利用并消耗過多的能量，從而剝奪了它們真正的性能潛力。

大多數(shù)現(xiàn)有的管理計劃都是零散的。CPU 周期由優(yōu)先級和時間隔離管理，這意味著需要在預設時間內完成的應用程序將被保留該時間，無論它們是否實際需要它。由于緩存未命中、未命中推測和 I/O 阻塞，無法安全地預測執(zhí)行時間，因此保留時間通常比所需時間長。為了確保智能手機中的調制解調器堆棧接收足夠的 CPU 周期來進行呼叫，其他應用程序可能會被限制為不同時運行。這就解釋了為什么一些未命名品牌手機的用戶抱怨說，當手機響起時，GPS會掉線。

除此之外，電源管理最近引起了極大的興趣。請注意“單獨”特征。大多數(shù)部署的解決方案都擅長檢測空閑時間、使用系統(tǒng)響應緩慢的模式，或 CPU 可以以較低時鐘速度運行從而節(jié)省能源的特定應用程序。例如，英特爾提出了Hurry Up and Get Idle（HUGI）。要理解HUGI，請考慮以下類比：有人可以使用印地汽車全速到達目的地，然后將其停放，但也許使用普銳斯及時到達那里會更實用。您認為哪個使用更少的氣體？基于使用模式的電源管理過于粗糙，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載，但這不能僅通過關注正在運行的應用程序來完成。開發(fā)人員也許能夠確定應用程序按時完成的最低時鐘速度，但是他們是否可以放慢時鐘速度，不知道其他等待運行的應用程序如果延遲會受到怎樣的影響？單獨管理任務和時鐘速度（電源）不能導致最佳能耗。獲勝的方法將同時管理/優(yōu)化所有性能資源，但至少要管理時鐘速度和任務調度。想象一下，任務調度員是行程計劃員，時鐘經理是汽車司機。如果汽車減速，則必須重新計劃行程。驅動程序可能由于路況不佳（緩存未命中）而必須減速，或者在鐵路障礙處停車（多線程中的障礙，由于分配的 I/O 帶寬不足而阻塞緩沖區(qū)為空等）。表現(xiàn)出數(shù)據(jù)依賴執(zhí)行時間的應用程序也存在一個問題，因為它們完成的時間在完成之前是未知的。應該提前為這些應用分配什么時鐘速度？

先進的性能管理解決方案

管理性能資源的一個例子是VirtualMetrix性能管理（PerfMan），它通過參數(shù)驅動的算法控制所有性能資源。該軟件調度任務、更改時鐘速度、確定空閑周期，并根據(jù)性能數(shù)據(jù)（如消耗的帶寬和停用的指令）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，甚至可以實現(xiàn)最佳資源分配，甚至可以考慮現(xiàn)代處理器和數(shù)據(jù)相關應用程序的執(zhí)行速度的不可預測性。

圖1：PerfMan 使用參數(shù)驅動的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時分配算法使用閉環(huán)方法，該方法通過將已完成的工作與仍要執(zhí)行的工作進行比較來做出分配決策，以系統(tǒng)提供的任何可測量的性能量表示。例如，如果應用程序是填充緩沖區(qū)的視頻播放器或通信協(xié)議，則 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，因此決策會周期性地更新。在許多情況下，緩沖區(qū)會過度填充，以防止在緩沖區(qū)空時阻塞，這可能導致計時沖突。PerfMan 能夠精確分配性能，將緩沖保持在最低限度并減少內存占用。該算法可以處理混合在一起的硬、軟和非實時應用程序。

如果將應用程序執(zhí)行圖量化為簡單的性能參數(shù)，并且截止時間在重要時已知，則算法將動態(tài)調度以及時滿足截止時間。即使是非實時應用程序也需要一些性能分配，以避免無限期推遲。分配應用程序所需的最小處理器資源會增加系統(tǒng)利用率，從而導致更高的可能工作負載。該方法不依賴于嚴格的優(yōu)先級，盡管可以使用它們。執(zhí)行中的優(yōu)先級或順序是應用程序在等待輪到運行時表現(xiàn)出的緊迫性的直接結果，這是要執(zhí)行的基本工作/已完成范式的函數(shù)。

擴展到更多維度

如果任務已準備好在現(xiàn)有操作系統(tǒng)中運行，它們將運行，但它們是否需要運行？如果操作系統(tǒng)知道它們不會影響它們的運行，它們是否可以延遲（強制空閑）？

了解每個任務的時間以及它是正在運行還是等待運行，使軟件能夠自動確定最小時鐘速度和運行時間。因此，在所有負載條件下，一切都按時完成。將時鐘速度與瞬時工作負載相匹配并不意味著時鐘速度始終最小化。低能耗的目標有時需要高速爆發(fā)，然后是空閑，就像英特爾的 HUGI 一樣。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）所指示的速度也沒有好處。在等待內存操作完成時快速計時不會節(jié)省能源。

該算法的口號是“以最低的能耗實現(xiàn)最高的利用率/工作負載”，這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，無法同時實現(xiàn)平衡的負載、低多線程屏障延遲和最低的總體能耗。若要解決此問題，可以將 PerfMan 配置為優(yōu)化一個或多個性能屬性。如果目標是最低能耗，那么不平衡的系統(tǒng)（某些內核負載高，而其他內核為空并因此關閉）可能會提供最低的能耗，但代價是執(zhí)行延遲更長，整體性能較低。

加速線程以減少屏障延遲也可能導致更高的能耗。但是，滿足截止日期（硬或軟）會覆蓋所有其他考慮因素。基于閉環(huán)的精確性能資源分配算法可以安全地保持更高的工作負載水平，這反過來又允許將核心整合比現(xiàn)有方法進一步推動，從而實現(xiàn)更高的能耗降低。

在 VMX Linux 上的實現(xiàn)

PerfMan已實現(xiàn)為獨立于常駐操作系統(tǒng)運行的瘦內核（sdKernel）。它已移植到 Linux 2.6.29 （VMX Linux），如圖 2 所示。安卓端口即將完成。該軟件接管 Linux 任務調度并與現(xiàn)有的電源管理基礎架構互通。sdKernel 的單獨版本提供虛擬化，并支持符合 POSIX 標準的環(huán)境中的硬實時任務。在許多平臺上，調度/上下文切換都處于亞微秒級別，但由于大多數(shù) Linux 系統(tǒng)調用對于硬實時應用程序來說太慢了，因此 sdKernel 為基本外圍設備、計時器和其他資源提供了 API。

圖2：在 Linux 實現(xiàn)中，PerfMan 接管 Linux 任務調度并與現(xiàn)有的電源管理基礎架構互通。

通過監(jiān)控性能，該軟件可以檢測異常執(zhí)行模式，預測即將到來的操作系統(tǒng)崩潰和崩潰。在這種情況下，sdKernel 將通知任務關鍵型應用程序停止使用 Linux 系統(tǒng)調用，并在重新啟動 Linux 時暫時切換到 sdKernel API（安全模式）。

VMX Linux 支持真實和非實時應用程序的混合，具有高效的性能隔離，同時最大限度地降低了能耗。它還可以提供硬件隔離/安全性和安全著陸。

基準測試顯示結果

使用 VMX 設計的電能表實時測量的能耗是系統(tǒng)累積的，并與各個應用程序相關聯(lián)。媒體播放器應用程序（視頻和音頻）首先使用標準 Linux 2.6.29（圖 3 紅色圖表）和 VMX Linux（圖 3 藍色圖表）在 OMAP35xx BeagleBoard 上運行。

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

性能合規(guī)性（性能組合圖）顯示應用程序任務按時完成的程度（中心線）。該行下方表示違反最后期限。請注意，使用 VMX Linux，在沒有預緩沖和違反截止時間的情況下實現(xiàn)了 95% 的平均負載，但它已經接近了。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)表示預設間隔內的平均值。作為額外的好處，當Linux故意崩潰時，視頻會消失，但音樂以安全模式播放，沒有可聽見的故障。

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果。審核編輯：郭婷