摘 要： 提出一種基于島間隊(duì)列特征的動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放控制算法，使用島間隊(duì)列增長(zhǎng)率和使用率來實(shí)現(xiàn)電壓島工作電壓/頻率的動(dòng)態(tài)控制。該算法引入島間隊(duì)列增長(zhǎng)率實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單高效的負(fù)載預(yù)測(cè),提高了片上通信穩(wěn)定性。仿真分析表明,該算法能夠更好地節(jié)能降耗。
關(guān)鍵詞： 片上網(wǎng)絡(luò); 電壓島; 動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放; 低能耗; 島間隊(duì)列

基于電壓島的動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)技術(shù)能夠大幅度地降低片上網(wǎng)絡(luò)NoC(Network on Chip)的能耗,從而受到廣泛關(guān)注[1]。在基于電壓島的NoC上，電壓和頻率的改變以整個(gè)電壓島為單位，DVFS設(shè)計(jì)需要全面考慮電壓島內(nèi)所有的IP核。與針對(duì)單個(gè)IP核的DVFS控制算法相比,基于電壓島的DVFS控制算法需要考慮的因素更多，設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。
目前,針對(duì)基于電壓島的DVFS控制算法的研究并不多。為了應(yīng)對(duì)工作負(fù)載的快速變化，參考文獻(xiàn)[2]提出一種基于全局電壓島輸入隊(duì)列使用率的反饋控制算法。該算法使用反饋控制，較好地應(yīng)對(duì)了工作負(fù)載的變化。而參考文獻(xiàn)[3]指出參考文獻(xiàn)[2]的控制算法邏輯資源消耗過高，缺乏全局控制，在參考文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上提出CF-g反饋控制算法，該算法利用片上的g個(gè)輸入隊(duì)列,實(shí)現(xiàn)了電壓島簡(jiǎn)單、高效的工作電壓控制，達(dá)到了資源和效率的平衡，但是該算法并沒有大幅度降低片上邏輯資源的開銷。同時(shí)，參考文獻(xiàn)[2]和參考文獻(xiàn)[3]的算法存在的共同問題是只能控制電壓島的一個(gè)輸入隊(duì)列，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。
針對(duì)上述問題，本文依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]提出的輸入隊(duì)列包到達(dá)模型提出一種基于島間隊(duì)列特征的DVFS控制算法。該算法使用電壓島的所有輸入/輸出隊(duì)列參與電壓島的電壓/頻率控制，提高了片上通信的穩(wěn)定性，引入島間隊(duì)列使用率和增長(zhǎng)率進(jìn)行負(fù)載預(yù)測(cè)，提高了算法的效率。
1 算法設(shè)計(jì)
1.1 電壓島間隊(duì)列使用率的數(shù)學(xué)模型
在基于電壓島的NoC上，電壓島間的每個(gè)鏈路兩端各有一個(gè)緩存隊(duì)列，如圖1所示，可將這種緩存隊(duì)列簡(jiǎn)稱為島間隊(duì)列[4]。電壓島VFI1是隊(duì)列q的輸入電壓島，電壓島VFI2是隊(duì)列q的輸出電壓島;相應(yīng)地，隊(duì)列q是電壓島VFI1的輸出隊(duì)列，也是電壓島VFI2的輸入隊(duì)列。設(shè)隊(duì)列q的平均包到達(dá)速率為f1λ，包服務(wù)速率為f2 μ，f1和f2是第k個(gè)控制周期內(nèi)(即[(k-1)T，kT))兩個(gè)電壓島的頻率，隊(duì)列q的使用率q(k)∈[0,1]可表示為：

島間隊(duì)列增長(zhǎng)率直接指示了當(dāng)前隊(duì)列使用率的變化：當(dāng)p(k)>0時(shí)，增長(zhǎng)率為正，這時(shí)使用率q(k)增加，即隊(duì)列中待處理的數(shù)據(jù)包增加；當(dāng)p(k)<0時(shí)，使用率負(fù)增長(zhǎng)，此時(shí)的使用率減小，即隊(duì)列中待處理的數(shù)據(jù)包減少；當(dāng)p(k)=0時(shí)，表示當(dāng)前隊(duì)列使用率不變，該隊(duì)列處于平衡狀態(tài)。
1.2 算法思想描述
本文將電壓島的頻率和電壓劃分為幾個(gè)離散的等級(jí)，每次調(diào)整將增加或者降低一個(gè)等級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工作負(fù)載的預(yù)測(cè)，引入島間隊(duì)列增長(zhǎng)率。另外，島間隊(duì)列使用率準(zhǔn)確描述了當(dāng)前隊(duì)列的使用情況，指示了當(dāng)前的片上通信狀況。本算法綜合兩者的信息得到當(dāng)前島間隊(duì)列對(duì)電壓島的頻率需求（升頻、降頻）。
針對(duì)當(dāng)前的控制算法無法達(dá)到控制所有島間隊(duì)列的問題，通過全面考慮電壓島的輸入、輸出隊(duì)列對(duì)電壓島工作頻率的需求，綜合全局信息來配置電壓島的電壓和頻率。在保證通信穩(wěn)定的前提下盡量降低能耗，對(duì)于增頻請(qǐng)求和降頻請(qǐng)求，依據(jù)保證系統(tǒng)通信穩(wěn)定的原則，優(yōu)先處理增頻請(qǐng)求。
本算法采用全局控制方式，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)控制周期為T，在第k個(gè)控制周期開始時(shí)，對(duì)各個(gè)電壓島的頻率和島間隊(duì)列的使用率進(jìn)行采樣；然后將采樣信息輸入全局電壓/頻率控制模塊進(jìn)行運(yùn)算,得到當(dāng)前的島間隊(duì)列增長(zhǎng)率；之后，由全局電壓/頻率控制模塊依據(jù)DVFS控制算法得出各個(gè)電壓島在下個(gè)周期的電壓和頻率；最后，由電壓/頻率生成模塊對(duì)電壓和頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電壓和頻率轉(zhuǎn)換完成后，進(jìn)入第k+1個(gè)周期。

電壓島的電壓和頻率采用離散值，算法每次將電壓島的工作頻率升高或者降低一個(gè)等級(jí)。
1.3 使用島間隊(duì)列的DVFS控制算法原理
對(duì)于由J個(gè)電壓島組成的NoC，假設(shè)電壓島i有m個(gè)輸入/輸出隊(duì)列。本算法根據(jù)電壓島的輸入/輸出隊(duì)列的使用率q(k)和增長(zhǎng)率p(k)來控制電壓島的工作電壓,以實(shí)現(xiàn)DVFS控制?？紤]到輸入/輸出隊(duì)列對(duì)電壓島工作頻率的不同需求，將兩者分開考慮，其對(duì)應(yīng)的控制請(qǐng)求可分為輸入隊(duì)列請(qǐng)求和輸出隊(duì)列請(qǐng)求。
本算法通過綜合q(k)和p(k)的信息控制電壓島的頻率，使p(k)在區(qū)間[0，1)之內(nèi)變化。其原理如下：
在圖 1中，對(duì)于隊(duì)列q，當(dāng)p(k)>0時(shí)，若保持電壓島VFI1的頻率f1和電壓島VFI2的頻率f2不變,則隊(duì)列的使用率q(k)會(huì)持續(xù)增加。這種情況下，當(dāng)q(k)較小時(shí)，無需考慮降低頻率f2或者增加頻率f1；當(dāng)q(k)較大時(shí)，為避免隊(duì)列擁塞(即防止q(k)=1)，為其設(shè)置門限值ThH， 當(dāng)q(k)到達(dá)門限值ThH時(shí)，可以降低輸入電壓島的頻率f1或者增加輸出電壓島的頻率f2；當(dāng)使用率q(k)很小時(shí)，若降低隊(duì)列的輸出電壓島頻率f2，則增長(zhǎng)率p(k)>0變大，加快了q(k)增加的速率。為了解決此時(shí)能否降低f2的問題，設(shè)置了q(k)的可降頻門限ThD。當(dāng)p(k)>0，q(k)<ThD時(shí),可以降低隊(duì)列的輸出電壓島的頻率；當(dāng)增長(zhǎng)率p(k)>0時(shí)，如果隊(duì)列的輸入電壓島的頻率f1將在下一個(gè)控制周期被提高，按照式(2)推斷增長(zhǎng)率p(k)會(huì)變大，此時(shí)有必要降低輸出電壓島的頻率f2的門限，令這個(gè)門限值為ThI,本文稱之為輸出電壓島從動(dòng)升頻門限。
當(dāng)p(k)<0時(shí)，若保持f1和f2不變，隊(duì)列的使用率q(k)會(huì)持續(xù)減小，此時(shí)不必考慮q(k)過高而導(dǎo)致隊(duì)列擁塞；當(dāng)使用率q(k)過低時(shí)，可以增加輸入電壓島的頻率f1或者降低輸出電壓島的頻率f2。為了降低能耗，本算法不主動(dòng)增加輸入電壓島的頻率， 這時(shí)設(shè)置隊(duì)列使用率q(k)的門限ThL，當(dāng)q(k)到達(dá)此門限值時(shí)，降低輸出電壓島的頻率；若輸出電壓島的頻率f2降低，則增長(zhǎng)率變大，使用率有可能會(huì)增加，此時(shí)，若q(k)∈[ThH,1]，則不能降低輸出電壓島的頻率f2；若q(k)∈[ThL,ThH），則可以降低輸出電壓島頻率f2。
當(dāng)p(k)=0時(shí)，隊(duì)列的輸入輸出達(dá)到平衡，隊(duì)列對(duì)電壓島的頻率沒有升降請(qǐng)求。
本算法的控制方法如表1、表2所示。