多處理在當(dāng)今的電子系統(tǒng)中無處不在。主要優(yōu)勢是通過并行執(zhí)行加快處理速度，并通過為每項活動配備合適的處理器來改進(jìn)功耗、散熱和延遲等操作特性。這同樣適用于多核系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通常在處理單元之間具有更緊密的數(shù)據(jù)和時序聯(lián)系。

從歷史上看，并行執(zhí)行和由此產(chǎn)生的性能提升受到了工程界的大部分關(guān)注，工程界產(chǎn)生了先進(jìn)的并行軟件標(biāo)準(zhǔn)，例如開放計算語言 (OpenCL)、異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu) (HSA)、開放多處理 (OpenMP) 等. 多處理器系統(tǒng)的操作特性，如電源，雖然對電子系統(tǒng)至關(guān)重要，但仍被困在與主操作系統(tǒng)捆綁在一起的操作系統(tǒng)定向電源管理 (OSPM) 中，作為整個系統(tǒng)的控制器。OSPM 面臨的個挑戰(zhàn)是在單個處理器管理程序上運行多個客戶操作系統(tǒng)，然后是多操作系統(tǒng)、多核管理程序變體，是異構(gòu)多操作系統(tǒng)、多處理器系統(tǒng)。因此，管理程序和專用內(nèi)核開始接管 OSPM 角色，    

延遲/功率權(quán)衡問題 
目前沒有通用的標(biāo)準(zhǔn)來管理異構(gòu)多處理器系統(tǒng)中的系統(tǒng)功率。每個供應(yīng)商都必須重新發(fā)明 API 和協(xié)議來處理電源管理，并花時間將這些 API 集成到系統(tǒng)中每個處理的每個代碼庫中。為了滿足市場需求，供應(yīng)商傾向于在他們用于每個內(nèi)核的軟件中利用現(xiàn)有的電源管理解決方案，然后將這些內(nèi)核松散地耦合在一起以創(chuàng)建臨時電源管理機(jī)制。這些臨時制度往往具有高延遲電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換。為了解決這個問題，公司創(chuàng)建了靜態(tài)的、不經(jīng)常更新的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，以延遲換取功率。由于這些權(quán)衡，供應(yīng)商不得不放棄權(quán)力。

用于異構(gòu)處理器的新 Power API 
解決這個問題的方法是創(chuàng)建一個所有軟件供應(yīng)商都可以合理實施的 API 規(guī)范，一個充當(dāng)?shù)讓与娫垂芾砘A(chǔ)的規(guī)范。由于異構(gòu)系統(tǒng)的獨特需求，應(yīng)該可以使用少量代碼實現(xiàn) API，這樣即使是的內(nèi)核也可以參與系統(tǒng)范圍的電源管理。API 還應(yīng)該足夠通用，以便可以表示大多數(shù)異構(gòu)架構(gòu)，但又不能過于通用以至于 API 變得難以使用。，API 應(yīng)該與現(xiàn)有的電源管理方案兼容，例如 ARM 的電源狀態(tài)協(xié)調(diào)接口 (PSCI)。

AGGIOS 和 Xilinx 在過去兩年開發(fā)的新的可擴(kuò)展能源管理接口 (XEMI) 滿足了所有這些要求。

XEMI 不是革命性的；它不是故意的。XEMI 類似于 ARM 的 PSCI。與 PSCI 不同，XEMI 涵蓋異構(gòu)系統(tǒng)。XEMI 的意圖是提供一個通用 API，允許所有軟件組件對內(nèi)核和外圍設(shè)備進(jìn)行電源管理。在較別，XEMI 允許用戶指定電源管理目標(biāo)，例如暫停復(fù)雜的處理器集群或僅暫停單個內(nèi)核。然后，底層實現(xiàn)可以自由地自主實現(xiàn)節(jié)能方法。這種方法減少了延遲，因為操作請求者可以指定電源目標(biāo)，而不必執(zhí)行電源狀態(tài)轉(zhuǎn)換的每個步驟。

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消息傳遞接口掌握系統(tǒng)電源 
XEMI API 提供了管理異構(gòu)多核系統(tǒng)中組件電源狀態(tài)的機(jī)制。通過將系統(tǒng)組件的電源狀態(tài)控制委托給中央能源管理層，XEMI 使多個獨立的處理集群能夠以節(jié)能的方式共享可用的從屬設(shè)備。

XEMI 假設(shè)一種系統(tǒng)架構(gòu)由一個或多個處理集群、中央能源管理軟件（它本身可以分布在多個內(nèi)核上）以及可以進(jìn)入多個電源狀態(tài)的從屬設(shè)備組成（圖 1）。此外，可能存在電源島和電源域的層次結(jié)構(gòu)，允許通過在電源島的情況下本地關(guān)閉電源或通過外部穩(wěn)壓器或電源管理 IC (PMIC) 的電源域來關(guān)閉組件組.

圖 2. XEMI 系統(tǒng)架構(gòu)

處理集群將通過 XEMI 提交功率/性能請求。這些請求由電源管理控制器接收和處理。電源管理控制器負(fù)責(zé)管理所有從屬設(shè)備的電源狀態(tài)，它根據(jù)處理集群斷言的累積電源性能要求來選擇。它還負(fù)責(zé)管理處理集群本身的電源狀態(tài)，這將使用 XEMI 來協(xié)調(diào)它們自己的掛起過程與控制器。

處理集群的掛起過程主要由運行在這些集群上的軟件啟動和執(zhí)行，而需要電源管理控制器來執(zhí)行掛起過程的步驟。控制器正在關(guān)閉集群所在的電源島和電源域，并通過潛在地調(diào)整處理集群運行所需的從屬設(shè)備的電源狀態(tài)。

XEMI 還包括用于請求掛起或喚醒其他處理集群的 API，提供標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制來協(xié)調(diào)系統(tǒng)睡眠狀態(tài)以及管理處理集群之間的主/從關(guān)系。

XEMI API 中傳遞的要求可以是指明確的組件功能，也可以包括延遲要求，從而允許電源管理控制器為從屬設(shè)備和處理集群選擇電源狀態(tài)。鑒于實際延遲將是平臺特定的，取決于外部 PMIC 等組件，XEMI 允許將這些延遲細(xì)節(jié)封裝在中央控制器固件中，而不是要求每個處理集群上的軟件根據(jù)這些細(xì)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。應(yīng)用軟件只需要知道它的延遲要求；這些要求如何映射到各種設(shè)備的狀態(tài)取決于電源管理控制器。

適用于 Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC 的 XEMI 
Aggios 和 Xilinx 已經(jīng)為 Zynq UltraScale+ MPSoC 創(chuàng)建了 XEMI 實現(xiàn)（圖 2）。該平臺非常適合構(gòu)建 XEMI 的個實現(xiàn)，因為可編程邏輯允許工程團(tuán)隊有效地探索設(shè)計空間。此外，該平臺將成為其他人繼續(xù)完善 XEMI 規(guī)范的理想平臺，因為它具有普遍可用性和易用性。

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圖 2. UltraScale+ MPSoC 架構(gòu)

Zynq UltraScale+ MPSoC 包含多個可以相互獨立運行的處理集群，包括一個四通道 ARM Cortex-A53 應(yīng)用處理器單元 (APU)、一個雙通道 ARM Cortex-R5 實時處理器單元 (RPU) 和可編程邏輯，它可以承載一個或多個軟核處理器。所有這些處理器都可以共享許多從屬設(shè)備。此外，當(dāng) APU 等處理器未運行時，通過完全關(guān)閉電源島可以進(jìn)一步降低泄漏功耗。通過關(guān)閉整個全功率域 (FPD)，可以進(jìn)一步降低功耗。XEMI 用于協(xié)調(diào)和實施這些和其他轉(zhuǎn)換。

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圖 3. 深度睡眠 UML 圖

圖 3 中的統(tǒng)一建模語言 (UML) 圖描述了 XEMI 如何用于實現(xiàn)典型的電源管理用例。該圖顯示了從“全開”狀態(tài)到深度睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，對全功率域 (FPD) 中的任何元件沒有嚴(yán)格的喚醒延遲要求。在深度睡眠中，兩個處理單元都關(guān)閉，內(nèi)存保持不變，F(xiàn)PD 關(guān)閉。

實時處理單元 (RPU) 通過調(diào)用pm_request_suspend啟動到深度睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。然后，平臺管理單元 (PMU) 要求 APU 使用pm_init_suspend 暫停自身。 APU 執(zhí)行其自身的自掛起并將其上下文保存在雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 內(nèi)存中。APU 掛起程序完成后，PMU 會通過pm_acknowledge通知 RPU 。由于 FPD 內(nèi)沒有更多設(shè)備在使用或具有嚴(yán)格的延遲要求，因此 PMU 會關(guān)閉 FPD 的電源。

RPU 現(xiàn)在通過 PMU 釋放 USB 設(shè)備。PMU 調(diào)用pm_release_node 并啟動自己的掛起程序，將實時時鐘 (RTC) 配置為其喚醒源。沒有更多的電源管理活動，PMU 進(jìn)入休眠 狀態(tài)。發(fā)生喚醒事件時，PMU 知道需要喚醒哪些設(shè)備，并根據(jù)需要為電源域和電源島處理正確的上電順序。

結(jié)論 
XEMI API 解決了異構(gòu)多處理電源管理挑戰(zhàn)，而無需在傳統(tǒng) OSPM 方法中進(jìn)行許多必要的權(quán)衡。它允許軟件供應(yīng)商使用高效的實現(xiàn)自由構(gòu)建針對其平臺優(yōu)化的底層電源管理基板。基板方法使設(shè)計人員能夠回收傳統(tǒng)實施方案遺留的功率。使用 XEMI API 的、以目標(biāo)為中心的方法可以更輕松地完成需要大量跨系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，例如關(guān)閉許多異構(gòu)內(nèi)核。在過去的 2 年里，Aggios 和 Xilinx 一直致力于使 XEMI 的愿景成為現(xiàn)實。隨著 Xilinx 近推出的異構(gòu)可編程處理 SoC，Zynq UltraScale+ MPSoC