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外文翻译
本科生毕业论文(设计)
外文文献翻译
译文一:
更节能的互连:
USB
译文二:
学生姓名
学号
指导教师
二级学院信息学院
专业名称计算机科学与技术
班级**计算机*班
2012年03月
译文一:
更节能的互连:
USB
摘要:
“64野马是一款经典,人们谈论回忆了44年。
你成功搞砸并且改变一个正确的公式?
没有,但你在根本上更新设计并解决了缺陷(更好音响,空调,可靠性,等)并且随着市场的变化,激起新的消费欲望,(有效引擎解决燃油经济效益,为催化转换器提供一个清洁的环境,等等。
)。
再计算机世界里通用串行总线(总线)是一款经典。
它是在诞生于1996和现在成为无处不在的计算机接口。
90年代中期,它的研发主要针对当时主流电脑,主要为方便消费者使用和降低设备成本。
2002,USB2.0是提供了480Mbps;再次优化以满足相似准则。
虽然USB许多特点的是一流的,但是其对平台功耗的影响已非常糟糕。
而在其最初的设计里,电力消费不是一个重要的标准,USB成为电池供电平台的事实,关键在于其低功率。
此外,对于桌面和服务器系统,全球关注能源消耗和碳排量的能源效率的一个重要市场需求。
因此,像经典款野马在一段时间大修的方式,这有助于保持一个成功的互连。
本文首先概述了USB电源问题对传输平台的影响。
接着我们讨论如何解决这些问题。
虽然这里的重点是显然在笔记本电脑系统,以及适用于其他系统大部分问题和解决方案。
索引词:
USB,低功率,功率友好的设备,电源管理平台
1简介
理解USB电力问题,首先它是如何工作的,你需要有一个基本的了解。
我们不会尝试并使你的成为USB的专家;相反,我们只是提供足够的细节,这样你可以理解的基本问题和怎样修正这些地址。
最根本的问题在于是USB基于的这个架构,其不断的访问设备。
虽然这将创建一个简单和低成本设备模型,但是当设备闲置或很少有数据传输它非常的没有效率。
具体来说,没有受到主机访问时,一个USB设备是无法传输数据或产生一个中断。
最好能做的是在事件发生的时候,表明它要被访问。
当设备第一次配置并且转高活跃性时,这通常是分配静态。
(例如,在吞吐量最大化时)。
我们将进入更详细一点讲解关于一个通用串行总线设备的设计工作,在其实访问环境和然后讨论为什么访问造成功耗问题。
图1说明了数据传输设备正常的行为(non-polled)。
在这个模型中,设备一般是完全有能力作为总线。
当一个设备需要传输数据,它只是请求的总线控制,并启动一个或多个周期主存储器(绿色线#1),这也导致探听周期的处理器(绿色线#2)在中央处理器中为确保数据一致性,而内存内容停留。
对比这种USB模式,由主机传输数据,设备必须等到下一次的访问,更重要的是,主机必须不断地访问设备只是为了看看它是否有数据要传输。
通用串行总线提供两种数据传输的一般模型:
同步和异步。
同步传输保证定期访问率,这对应于同步和中断终端的类型最高频率每microframe(125微秒)。
相反,异步传输没有访问次数的保证,但对大多数这个发生相当频繁(多次每microframe)这是实现高数据吞吐量必要的。
块和控制端点属于这个传输类型。
此外,许多主机控制器主要依托存储的进度信息。
数据结构在通用串行总线模式中,主机控制器负责通知(主动)同步和异步端点需要维修,轮询频率同步端点,内存位置的数据传输等等。
主机控制器必须经常访问这些结构,既要了解当端点需要维修(中)和启动每个传输request-regardless数据实际上是否是传输。
图2说明了一个典型的USB块传输(读取,写入主存储器)。
本主机控制器首先从主内存中的表中读取传输描述符信息(红色线#1),从而导致探听周期的处理器(红线#2)缓存一致性维护。
一次读,主机控制器启动传输,有针对性的访问设备(红线#3)。
如果设备没有数据传输返回一个否定确认响应(tan线#1)。
否则,返回一个ACK表示设备有数据需要传输(tan线#1),其中主机控制器写入主存储器(谭线#2),又一次触发探听周期的处理器(tan线#3)。
通用串行总线传输本质上是效率比较低的总线传输,需要共六个周期(三窥视)与2个周期(一个监听)程序。
但更大的问题是,通用串行总线端点,没有数据传输(不断NAK)仍继续访问,导致主机在一个相当活跃的接口,造成子系统常见的内存访问,探听周期,和转让。
此行为不发生其他non-polled互连。
因此,通用串行总线很难什么也不做,而造成了糟糕的能源效率。
同样重要的是要注意到的大部分功率消耗发生上游的主机控制器接口。
为例如,一个主控制器访问单体,在端点可以每8-16微秒(美国)用活动,以防止大多数核心逻辑(中央处理器,内存,骨干总线,时钟,从等。
)进入低功率状态。
这反过来对平台闲置和大幅减少电池寿命有巨大的影响。
2USB2.0背景
通用串行总线2规格由通用串行总线实现论坛定义Inc.(www.usb.org).它取代,backwards-compatible与1.1规格。
USB2.0包括三个不同的数据速率:
低速1.5兆比特每秒的速度,在12和480高速兆比特每秒。
USB2.0使用4口双微分信号线(D+/-)。
从根本上说,USB2.0总线是一个轮询总线,主机发起数据和控制该设备。
因为跨越该平台访问直接转化为增加功率消耗,因此设备的设计技术,特别是重要的。
通用串行总线USB2.0总线标准,低功耗状态称为挂起,但今天相关的潜伏期进入和退出问题的使用作为一个动态流量控制和功率管理机制。
通用串行总线USB2.0规范定义了四种不同的交通类(控制,块,周期,同步)和三数据率(低,全,高)。
这通常是基于Intel®Architecture(IA)平台来使用不同的主机控制器类型:
高速设备的增强主机控制器接口(EHCI)和低-全设备的通用主机控制器接口(UHCI)
图3显示了低,全,和高速设备不同的时间表,传输类,和数据模式的低和全速传输。
为低速和高速的UHCI控制器,在主存储中主机控制器包含一个列表指针引用一个物理地址。
主机控制器解析此表框架(1ms间隔)取内存结构(描述),告诉主控制器如何访问设备。
操作系统软件(操作系统)负责填充进度。
将在每帧尝试指定传输主机控制器。
在视窗操作系统,从端点周期性传送第一次同步,并分配一个固定的带宽。
在此之后,操作系统的中断端点,一般是在产生一些周期性访问,通常采用二叉树(访问率1ms,2ms4ms,8ms,16ms,自制等。
)。
块控制端点通常设置下一帧链接表。
主机控制器一般每帧解析元素周期一次,在剩余的时间(直到下一帧)处理与控制端点。
该EHCI控制器服务在USB2.0高速设备中包含不同的时间表。
异步的模型包括块和控制端点,并通常设置为链接表。
周期模式包含同步和中断端点,在一特定周期的内。
该EHCI控制器在一个周期的传输处理能力加速率称为microframe(125us)—八倍多于UHCI。
因此,周期传输可能是最高效率模式,每一次microframe(125us)。
表1总结了使用传统的UHCI和人力主机控制器设计对平台低,全,和高速端点的影响。
3供电对USB接口活动的影响
当闲置系统的主机控制器控制总线主传输时,该平台将立即过渡到低功耗状态的过程。
表4描绘Intel®Core™2Duoprocessor-based系统的这种流。
因为这个活动是一个platform-wide事件,该由此产生的冲击能大。
图5显示了一个总线主机从在活动无线局域网设备的一个接入点的数据包传输。
虽然实际的传输是短暂的,但是组件和平台电源表大大提高此活动功耗。
因此,一般的解决方案,解决通用串行总线电源问题需要我们大大减少主机控制器产生活动量,尤其是当通用串行总线设备闲置的时候(没有数据传输)。
4构造
解决功耗是一挑战性的问题。
图6描述了在高层次视角的一个真正的节能模式。
总体思路是保持整个路径从主内存到主机控制器和其下设备处于完全静态直到有意义的数据需要传输时。
让一个设备只有必要时才访问,从而改变今天的不断访问架构模型。
但为了保持兼容性与主流开源软件,这是要在软件栈避免上层的变化。
这集中的范围主要在较低水平(微型端口驱动程序和硬件),如图7所示
5友好的USB功耗
在接下来的几节中,我们讨论了各种能源效率优化,基于以下标准:
1.如果没有设备连接或没有安排工作时硬件应保持在一个低功耗状态。
2.抑制活性(上游主机主机控制器,例如,主内存)当没有有意义的工作做。
3.抑制活性(下游端主机控制器,基于总线)当没有数据发送/接收设备。
6微端口驱动程序
由于访问的结构,对主机控制器是非常重要的,如果它做的不好会对整个平台产生不利影响。
在结构概述中我们谈到了主机控制器时间表和如何使用这些设备和访问执行的数据传输。
妥善管理这些是绝对必要要的对于一个功耗友好的接口子系统。
例如,假设没有设备连接到系统。
显然,当没有设备,一个power-friendly软件栈没有工作,当一个设备删除表应该立即删除所有相关的工作。
如果这种基本“计划”和“控制”的管理没有执行,任何额外的省电改进的影响都是有限的。
因此,确保有效的安排的端口驱动程序的工作是极其重要的,当控制器关闭不使用时或当设备被拔掉,残疾,或工作完成时,从主机控制器时间表及时删除所有相关描述。
WindowsXP*SP2几个关键的变化,完成巨大的节能。
英特尔曾与微软工程师讨论这些变化
并使其可用于WindowsXP和WindowsVista*.。
这包括支持UHCI运行/停止,EHCI运行/停止,和异步/周期调度使能位,以及积极的时间表空闲检测。
这些软件的优化反过来使其他硬件得到的优化,这将在我们下一节讨论。
7主机控制器
英特尔的传输主控制器的新功能提供了会当一个或多个计划启用的时候允许电源管理的机会(端点目前活跃)。
这些改进包括以下关键几点。
7.1高速缓存
缓存技术允许主机控制器在controller-local内存中存储日程信息(描述),为了显着降低访问主存储,特别是在设备相对闲置情况下。
这些数据通常存储在一个缩写格式中,其提供足够的信息来生成一个传输请求(访问)。
图8说明了这种技术。
如果设备NAKs传输,主机控制器仍然完全空闲(因为需要传输的信息被本地存储)。
如果设备ACK传输,主机控制器通常必须打开路径存储来传输实际数据(从该设备发送/接收)。
当高NAK率时,这时对端点来说,缓存功能是特别有用(例如,流或网络设备用异步端点打开所有的时间)。
7.2延迟和功率管理
虽然缓存是相当不错的远程操作活动却并没有解决下游(deviceside)活动。
通用串行总线USB2.0挂起状态原本是用于解决这一问题的,但它是很难用,因为进入和退出潜伏期以及其他限制。
它需要相当长的时间,进入和退出这种状态(进入:
3ms+操作系统开销,退出:
30毫秒+操作系统开销),设备是极为有限的电量可以消耗并且停留在这个阶段。
此外,挂起加上设备D状态下的操作系统假设硬件上下文丢失(从而设备需要被重新初始化和恢复后退出),这增加了明显的延迟和经常中断设备功能。
L1阶段是一个新的链路电源管理(LPM)状态,解决的关键存在挂起状态(以下简称L2)下还原状态潜伏期和从设备解耦的链路状态(使设备保持在D0)。
L1的阶段用于管理设备操作(D0),却允许其他空闲,能够迅速进入和退出这一低功率状态而不破坏正常操作。
主机控制器可以安全地调用L1进入闲置设备,逐步减少下游(端)活动直到所有设备居在L1(或L2)级,在这一点上没有下游活动出现之前,无论是主机或设备的链接在一个激活(L0)状态。
L1降低进入和退出过渡潜伏期(10μs)显着低于二级(10ms)。
相比L2阶段,从L1阶段设备和主机启动唤醒事件,需要指出的是L1deviceinitiated唤醒事件中发挥突出作用的另一个关键技术称为延迟。
支持L1的阶段需要修改都通用串行总线主控制器和设备。
L1是一个新的功能,增强了2个电源管理;它不替换现有的二级(挂起/恢复)机制。
该阶段的定义是向下兼容的,一个新的主机可以决定是否设备支持L1。
新设备将继续与传统主机工作(显然没有L1过渡),同时旧设备将继续在新的主机控制器下工作。
只有L1的时间将用于在一个新的主机控制器上设备承认支持此功能。
主机控制器标准L1阶段的具体实施,将可能取决于类型端点。
为周期(中断或同步)传输,主机控制器将可能执行的策略,即设备立即放入L1状态显示图9。
异步(或控制)的传输,主机控制器将可能执行的政策,即在试图过渡设备时,安装了一些microframes或框架标称异步访问支持,如图10所示。
这是为了减少开销的设备,stall短时间的数据阶段。
L1阶段获益于的所有类型的设备和交通模式,当加上相关的主机控制器的改进,在整个平台下它可以大幅节省电力,使整个USB盘子系统进入并停留在低功耗状态,直到一些有意义的事件发生。
8设备
当我们分析USB2.0周边产品目前在市场很显著的影响,为当今的系统展望未来的优化,建议需要一套明确的设备促进节能设计[3]。
在接下来的这个部分我们总结这些建议。
对periodic-triggered异步传输一般来说,据观察,有众多的设备产生的交通流在连续使用bulk(异步)的端点产生高NAK率(>90%)。
虽然设计简单,它有一个关键的缺陷:
带宽,因此设备缓冲/吞吐量高度可变和难以量化。
主要的建议是使用一个中断端点(周期)显示设备需要的服务和使用bulk端点动态传输数据或从设备。
这个概念被称为“periodic-triggered非同步”,如图11所示。
利用这一方案,定义响应的时间(即,轮询间隔的要求)和流带宽来更仔细的管理数据传输。
这也是一个更platform-friendly方法,它维护总线带宽(为通用串行总线共享资源)使用其他设备。
关键是这一方案在空闲时间之间的访问事件说明了更节能。
8.1为周期的端点降低访问率
上述periodic-triggered异步方案或周期性中断/同步端点用于其他用途,它是重要的最大化设备缓冲,设备访问率要尽可能慢。
一个power-friendly设备应采用访问率至少1ms,最好2-4ms或更长。
它可能是也可能支持端点不同的周期率,这是在有选择性设备带宽需求的基础上。
在这种情况下,如果设备有高速连接,设备缓冲可能在1ms访问率区间:
当设备有
较慢的连接,该设备可能有足够的缓冲接收更长的时间(例如,4-8ms或更高)访问率。
8.2使用同步传输流的设备
流设备使用bulk端点数据传输有一个共同的特点。
这个方法有很多问题。
首先。
控制器上给定所有的端口共享异步带宽,从而实现带宽可能不同,大幅取决于其他设备消费总线的带宽。
这可以很容易观察USB2.0设备使用异步传输流式内容:
在许多情况下,流变成不稳定,在同一时间两个设备活跃在同一主机控制器时。
这是因为带宽是共享一个单一的主机控制器,突出的事实是USB总线在多个数据流的时间片轮转。
反之,相比同步传输的时间计划,并由主机软件妥善分配带宽。
因此,一个设备可以接收专用带宽量服务端点,这传输比异步传输有效运行在一个较高的优先级。
此外,自同步将停留在周期表,有效地电源管理技术,通常是(与异步附表)在周期的传输时至少快1-2ms或更多。
8.3使用LMPL2动态(选择性挂起)
设备应使用和支持挂起(二级),当该设备空闲时使用这种状态,偶尔换醒来寻找事件,连接,或其他设备的状态变化时。
在周期(当然不是异步)传输时,作为一个重要的设备不应该不断发,它不应该主动或积极连接。
例如,在一个网络设备扫描网络连接,它应该考虑很少做或提供硬件能力的设备这样做,而不需要不断使用其功能驱动程序。
其他类别的设备,可以很容易地确定设备是否使用或不使用(流等设备的音频/视频,偶尔使用设备,如指纹传感器和全球定位系统)。
最困难的一类设备典型是利用挂起的人机接口设备(HID)如鼠标和键盘,在使用这些设备时,在L2进入/退出(例如,突然鼠标移动)阶段,在此最终用户可以感知增加的潜伏期,
8.4使用LPML1动态
如前所述,长期路径完全解决USB2.0的请求电源效率限制,这样设备和平台实现一个新的低功率链路状态称为LMPL1。
设备实现,值得注意的是,加入L1阶段不应导致任何损失的功能,因为它目的是用于在系统和设备可以闲置时活动。
同样重要的是,设备注意主机发起的反应时间(HIRD),在主机命令发送到设备要求进入L1阶段。
此参数深度指示平台期待进入低功率状态。
如果平台半主动,HIRD可能是一个光响应时间(例如,<200us),而如果平台和设备正越来越多地闲置,该领域可能是一个更大数(~1ms)。
该设备要使用这个参数,深度的控制电源管理使用的设备以节约电源,例如,通过关闭锁相环电路,只有当一个“长”(~1ms)L1进入传输。
8.5设计真正的复合设备
集成hub与多功能设备一般的作法是精简和简化硬件实现。
虽然方便,但是这方法有一个电源管理陷阱,因此,遭到强烈反对。
例如,其连接到枢纽下游而不是直接向一个该主机控制器的根端口,在许多延迟的情况下是不可行的。
最节能的设计涉及真正的复合材料设备。
在这里,多个逻辑功能(设备)使用一个单一的USB2.0物理设备接口,每个独立的功能是占用一个或多个端点。
8.6应用程序/驱动同步
许多设备诸如流(媒体播放设备,相机)或偶尔使用(指纹传感器,全球定位系统)都是因为捆绑软件。
至关重要的是,在设备端,当应用流关闭时,必须被接受该设备的功能驱动程序,确保应用程序妥善清理驱动器请求退出或活动(停顿,静音,等)避免悬垂传输;否则,这些传输仍然没有服务或是不断地试。
8.7避免访问集成按钮
许多器件比如集成相机支持所谓的“即时的特征,即“具有本地按钮,通常是一个周期性中断端点。
按钮需要连续运行周期性中断端点来访问按钮,这浪费能源。
这是建议,设备故意设计传输平台不支持按钮(通过应用程序或传统的键盘热键来更好的使用),或如果他们支持按钮,你工作的平台应该设计提供平台的通知,通过边带信号和先进的机制配置和电源接口(ACPI)进行系统修改。
通过使用这种方法,这些通知提供相同的网络影响,即时通知不必连续运行周期可交付的需求和功能驱动。
如果按钮是不可以避免的,那么为按钮构建很长轮询间隔(10到100毫秒)来减少不可避免的平台的影响。
这么长时间轮询间隔将给其他硬件优化提供机会来kick-in(缓存,推迟,L1,等。
)。
9挑战
显然,USB2.0个的能互连面临无数的挑战。
我们很高兴进步以及走的更远,但剩下的最大的挑战是通过系统广泛并且及时告知这些设备,操作系统,和平台特征。
10结果
为什么USB需要做的检查主要有2个原因:
设备和主机控制器降低功率消耗,和(更重要)行为对其他平台组成部分消除急剧增加功率消耗。
此处所述的技术充分做到这两点。
比如说,图12说明了总平台在高速缓存和延迟技术的Intel®Core™2Duo移动传输processor-based系统的节能。
测量数据和著名的实验证明结果。
请注意,比如对于大多数无线网络设备,当高速bulk端点积极而不断的载体时,平台增加了5.7w。
在这里,缓存技术实现了~4.7w改进,通过定位活动的主机控制器(活动),链接(港),下游设备(无线局域网),使处理器,存储,和相似的互连进入停留在低功耗状态。
延迟(LMPL1)技术解决了大部分剩余功率,在必要的时候允许控制器,端口,和设备只成为活跃(不再访问)。
11讨论
本文我们讨论一些技术改造通用串行总线使其成为节能型互连。
这些技术是基于power-friendly一些基本原则设计:
1、一个有效的传输速率(带宽/每瓦)是重要,但不应该是设计一个互连唯一的重点。
具体而言,强大的和低功耗空闲状态是绝对必要的。
2、电源管理状态应该是这样定义的,使这些阶段可以有效地应用在各种闲置pseudo-active情景。
3、它是所有关于功率平台。
利用低子系统能源优化而忽略了子系统影响平台休息的设计是失败的。
在赶上意外的行为或其他相关意外时,开发人员需要分析组件和平台的功耗。
设计欠佳的设备或主机控制器可能只消费数十毫瓦但这可能导致整个平台增加一个多瓦。
4、良好的空闲操作是关键。
闲置设备中燃烧(接近)零功率;同样适用于bus和主机控制器。
“什么都不做地!
“
虽然USB总有一个相对高效的数据传输速率,由于互连的空闲,这几乎是没有提供优势的平台设计。
关于低功耗空闲状态,原来的挂起阶段目的是应对各种情况下使用,但高延迟等特性使得其广泛使用。
虽然某些流量控制机制确实存在,这些都是旨在关注解决平台的性能(与功率)以及解决失败的根本问题在于不断轮询相关的上游和下游活动。
新LMPL1阶段填补了这一空白。
缓存技术涉及上游(主机)活性,阻止了大部分的平台停留在低功耗状态,即使在所有设备(和其他的系统)是普遍的空闲。
延迟技术解决下游(deviceside)活动,进入L1的状态这样主机控制器可以安全地推迟访问当端点设备空闲时。
在这里,当它有意义的数据传输时,主机可以恢复设备(因此访问时,其端点)反之亦然。
组合技术已使USB一个不断访问频繁活动的结构转化为只有有意义数据传输时一个活动才会发生结构,使其接近能源效率高的其他non-polled互连像CPI。
12结论
像原来的64野马一样,USB是一个经典。
虽然它已被成功的广泛,但“能源效率”时代已经来临。
有助于USB的成功关键属性(简单,成本低,足够的带宽)需要保留,而在现代化和提高互连的今天环境下,“green-ness”和“能源效率”已成为同样重要。
我们已经证明了技术并且提出了建议,主要是通过优化通用串行总线主控制器和设备闲置行为,使USB转化为一个更节能互连。
串行总线的带宽关系到每瓦特性其关系到较好提供一个强大的并且power-friendly解决方案。
13致谢
我们感谢JohnHoward,CorporateTechnologyGroup,IntelCorporation;KarthiVadivelu,ClientComponentsGroup,IntelCorporation;andMichaelDerr,ClientComponentsGroup,·IntelCorporation.
参考文献
[1]“EnergyStar*SystemImplementation,”April2007,at
[2]“UniversalSerialBusRevision2.0specification,”April27,2000,USBSIG,athttp:
//www.usb.org/developers/docs/
[3]“DesigningPower-FriendlyDevices,”May8,2007,WinHec2007,at
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