使用功率阈值对移动通信终端进行智能功率管理的方法和装置与流程

本发明涉及移动通信终端中的功率管理。

背景技术：
移动终端正快速地从具有照相机的简单的电话演化为配有强大的处理器、大容量的存储器、高分辨率的照相机、多个传感器和较大专用触控显示器的强大的、多功能的设备。同时，移动终端具有较小的形态因子，这给电池的大小和形状增加了限制。即使当前的移动终端具有强大的电池，它们的同时运行各种应用（包括诸如在线游戏、流视频和音频的实时应用）的能力，给移动终端无需再充电即可保持可操作的时间量施加了相当的限制。过去，移动电话的性能用在电池再次充电之间的“通话时间”和“待机”时间来测量，其中第一个测量指示移动电话用于执行呼叫时电池可为移动电话提供功率的整个时间，而后者涉及电池可保持电池可操作的整个时间。目前引入了附加的性能参数以考虑每个应用（例如，“互联网使用时间”，“视频重放时间”和“音频重放时间”）在功率消耗中的差别。然而，如果同时使用多个应用，电池功率可能会快速消耗，这使得难以预测移动终端用完功率会有多快。如果电池功率低，用户会通过避免或仅简短地使用特定的应用以尝试减小功率消耗。然而，对于许多应用，用户可能难以估计和控制移动终端的功率消耗，并且一些应用和服务会在后台操作，这使得它们甚至对用户是不可见的。在不知道电池中剩余的实际功率的情况下启动应用，会造成移动终端在没有剩余太多功率的情况下启动耗电量大的应用，从而快速用完剩余的功率，并使终端不可操作，直到它被再次充电为止。移动终端利用高度集成的、低功率的芯片组。芯片组中（特别是在处理器中）的功率消耗，主要由供电电压V、时钟频率f、门主动切换部分α和泄露电流Il确定。处理器的整个功率消耗P是动态功率项和静态功率损失项的总和，并且通常模型为P=αCV2f+VIl，其中C表示逻辑门的电容负荷。在移动终端中使用的处理器典型地具有非常低的静态功率损耗。当元件不使用时能够关闭内部模块，可获得大的节能。可将处理器设计为支持动态频率缩放，这为动态功率项提供了线性缩小。如果供电电压是动态可调的，可获得二次缩小。将其称为动态电压缩放（DVS），这是用于功率优化的最早方法中的一个。以计算速度作为交换，较低的供电电压典型地减小了最大可实现的时钟频率，从而可同时减小电压和时钟频率以实现显著的节能。移动终端利用各种节能策略以限制功率消耗，例如休眠模式和定时器，其中如果显示器在特定的时间段内是非活动的，则将显示器切换为低强度模式。一些移动终端会提供允许应用调整用于低强度显示的定时器的接口。移动终端典型地使用电池电量状态指示符和接收质量指示符以给用户提供剩余电量和无线连接质量的信息，并且它们典型地结合各种休眠模式，其中当在特定的、预先配置的周期中部分系统是不活动的，则将部分系统关闭。诸如膝上型计算机和笔记本计算机的较大的移动终端典型地具有当功率低时警告用户的功率管理功能。功率管理功能会采取步骤以节省数据，从而可实现正常的系统关机。功率管理功能还会关闭一些功能以在休眠模式中节省功率。功率管理功能典型地由操作系统提供。膝上型计算机操作系统典型的是具有两个附加功能的膝上型计算机操作系统：无线连通性连通性和用户控制的节能特征。移动操作系统，特别是那些在多任务智能电话中所使用的，通常是从典型地出现在膝上型计算机的操作系统中得到。操作系统使用任务调度以便将处理器（或多个处理器）的利用最大化。在该上下文中，我们定义任务为由操作系统进行调度以执行的最小单元。过程是在执行时实现指定工作的程序的实例。过程可包括能够以任何串行和/或并行的顺序执行的一个或多个任务。在一些操作系统中，将任务实现为线程或轻量进程。在多任务操作系统中，给任务分配用于调度的优先级。一些任务可以是先占的，以容纳具有更高优先级的任务。在多任务操作系统中任务调度的目标是使处理器（或多个处理器）的利用最大化。为了实现不同的性能标准，在操作系统中已实施了多种调度算法。除了处理器利用，其它重要的标准包括公平、吞吐量、周转时间、等待时间和响应时间。在由电池供电的功率消耗是关键性的设备和计算机中，将功率消耗视为进一步优化标准是有益的。已经提出了用于移动终端的用于减小应用的能量使用的功率感知算法。然而，仍存在对于实际的功率需求和递送所需功率的实际能力的更多感知的需求。

技术实现要素：
在所描述的实施方式中，对在移动终端中使用的任务调度算法进行修改，以考虑应用的实际功率消耗。这是通过使用诸如电池中剩余的功率、完成指定任务所需要的功率量、任务的关键性和终端位置的附加标准来进行。从这样的修改可得到的一些优点，包括：使移动终端能够确定是否能够保证利用剩余的电池功率运行以完成由用户启动的应用，或者由设备发起的服务；保证移动终端可按扩展的时间段提供重要的功能，例如认证、银行业务、紧急警告、紧急呼叫、和特定的基于位置的服务，从而用户可依靠移动终端在需要时执行这些关键的应用；当功率级别很低时，使网络或应用服务器能够帮助减小移动终端中的能量消耗；以及提供移动终端的操作系统控制和管理终端的能量消耗的部件，从而提供更好的用户体验，特别是当执行关键应用和服务时；因此，在一个实施方式中，将移动通信终端配置为支持多个应用，其中通过执行一个或多个任务来执行每个应用。响应于来自应用的调度请求，移动终端中的操作系统获得在至少一个任务的所要求的运行时间（run-time）的电源条件的指示。操作系统获得由任务在所要求的运行时间的功率使用速率的预测，并从预测的功率使用速率，获得完成任务所需要的能量总量的估计。操作系统对任务进行调度判定。调度判定包括从两个或多个可替换的任务配置的组进行选择。根据将运行时间电源条件与预测的任务的使用能量速率相关联的标准以及完成任务所需要的全部能量的估计来进行选择。在另一实施方式中，移动通信终端包括电池，与电池条件相关的信息源，被配置为响应于来自应用的调度任务的请求，从电池信息源获得电池条件的指示的模块，关于由与一个或多个应用相关联的任务的功率使用速率的信息源，被配置为从能量使用信息源获得在任务的要求运行时间处任务的能量使用速率的预测并且进一步被配置为估计完成任务所需要的能量总量的模块，以及配置为从用于任务的两个或多个可替换的配置的组进行选择的任务调度模块。根据将运行时间电池条件与任务的预测的能量使用速率以及与完成任务需要的全部能量的估计进行关联的标准，进行对任务配置的选择。在一些实施方式中，操作系统至少在任务是非关键的时获得由任务在请求的运行时间处的能量使用速率的预测，但是如果任务是关键的，基于预测速率的调度判定的特征不会被激活。也就是，操作系统为任务进行调度判定。如果任务是非关键的，调度判定包括将运行时间电源条件与任务的预测的能量使用速率相关联的标准。然而，如果任务是关键的，不应用这样的标准。在另一实施方式中，响应于来自应用的调度请求，操作系统获得电池在至少一个任务的要求的运行时间处剩余的可用的放电容量的指示，获得任务是否是关键的的指示，以及进行或获得任务的调度判定。进行调度判定包括从任务的两个或多个可替换的配置进行选择，其中所述任务包括导致任务不被允许的至少一个配置，和导致任务被执行的至少一个配置。执行选择步骤，从而对于剩余有用的放电容量在指定范围内的指示，如果将任务被指示为关键的，可获得导致执行任务的配置，否则不可获得。附图说明图1是示例性无线通信系统的示意图，其中在示例性无线通信系统中实现示例性功率感知管理方案的实施方式。图2是示出示例性的基于终端的功率管理器的详细架构的示意性框图。图3是假定的电池的电池容量相对于时间的图，其描述了在移动终端中使用的典型电池的放电模式的通常形状。具体地，该图描述了当几种应用启动和终止时典型的放电行为。图4是根据示例性功率感知管理方案的实施方式的在移动终端中功率系统的功能框图。图5是根据示例性功率感知管理方案的实施方式的应用简档和其环境的功能框图。图6是示例性功率感知任务监控的流程图。图7是执行功率感知任务调度的示例性架构的功能框图。图8A是描述基于任务的功率阈值调度或准许（admission）判定（decision）的高级流图。图8B是修改为包括与功率相关的数据字段的示例性过程控制块的格式图。图9A和图9B是在所描述的实施方式中，描述图7的功率感知任务调度子系统700中的功能操作。更具体的：图9A涉及图7的准许模块710的操作，和图9B涉及图7的功率感知调度模块760的操作。具体实施方式一些移动终端结合具有节能特性的已知硬件元件，例如，将关键信息提供给硬件和移动终端的操作系统（OS）的“智能”电池，具有可调节亮度的显示器，具有节能特性的无线收发器。这些元件典型地由移动终端的OS控制，并且这些元件中的一些对于用户或用户应用是可获得的。基于OS的功率管理架构的基本目标是执行有效使用能量的策略，延长电池的有效使用期限，并延长在再充电之间的设备使用时间。用于有效的移动终端功率管理的一个最重要的要求是感知电池的实际状态。典型地，给移动终端配有一套可再充电的电池。现有机制促使系统和功率管理芯片及系统其它部分之间的通信。例如，在智能电池系统（SBS）标准中规定的智能总线接口的优势会导致将其接受作为精确测量稳态电池参数的标准。智能电池监测系统包括智能电池、系统管理总线接口、和智能充电器。术语“智能电池”涉及使用例如所有的电池模型收集、计算和预测电池参数、并通过软件控制将计算的参数提供给主系统的微芯片电路。智能电池具有内置接口以通过SMBus与充电器和主系统进行通信。SMBus是用于在智能电池、主系统和智能充电器之间交换信息的二线式通信接口规范。智能充电器与智能电池进行通信以获取电池的当前充电状态，以便在充电时间上进行更精确的控制。智能电池典型地提供描述电池状态（特别是充电状态（SoC）和健康状态（SoH）参数）的几个参数。SoC是测量为其整个容量百分比的电池当前充电级别。SoH是相对于相同类型的新电池，测量电池提供指定的输出功率的能力。通过对SMBus接口功能的呼叫，主系统可获得电池的模型、类型、SoC、SoH、温度和其它使用统计，例如充电/放电周期的数量、电池的寿命、功率用完的时间、和充电的时间。通过SMBus获得的数据可用于开发主系统中的功率管理应用。需要说明的是，SMBus接口是可在该上下文中使用的各种可能的接口中的一个。移动操作系统中的功率管理包括OS侧元件，以及可选择的用户侧附加应用。内核侧的功率管理实现典型地使用接口以读取或测量电池充电状态和其它电池相关的参数，并且它们典型地使用内置功能以控制对各硬件子系统元件的供电。除了控制处理器（或多个处理器），操作系统控制各种硬件子系统的功率，例如液晶显示器（LCD）、键盘、磁盘驱动器、存储器模块、通信模块、传感器、照相机、音频设备等。为了监测电池状态，操作系统可执行电池模型和放电简档，并且其可利用SMBus接口以读取电池参数。内置的OS侧功率管理功能典型地提供句柄，通过该句柄在电池状态变化时通知设备驱动器和应用。除了电池状态通知，设备驱动器可设置定时器以确定何时切换到各种功率保护模式（例如，关闭、空闲、休眠、低功率或活动模式）。在用户侧，可部署高级的附加应用以通过由其它用户面对的应用和通过硬件子系统元件使用的功率为用户提供控制。尽管由一些这样的附加应用提供的控制是完全人工的，但其它应用提供基于简档的调度，其中在该调度下，在用户定义的简档中指定的偶然性发生时，可打开或关闭应用。通过以对功率消耗敏感的方式定义应用简档，用户可通过功率消耗间接提供一些终端控制。可将这里描述的原则组成我们称为智能功率管理的方法。智能功率管理是将功率监测和任务调度活动至少集成到移动终端中的功率感知任务管理方案。在一些实现中，其可以是还将功率监测和任务调度活动集成到网络节点中的综合的、网络方案。这样的方案可替换现有的功率管理方案，或者可替换的，其可实现为在移动操作系统中扩展功率管理的补充方案。我们的方案的一个优势是其不需要限制为具有严格最终期限的实时应用。对于至少一些功率管理方案，这是一个明显的限制，这是由于智能电话的任务不是循环的，它们也不是以周期间隔到达的。此外，由于多任务智能电话可作为主机容乃不同类型的应用，任务会具有不可预知的到达时间，并且对于一些应用，会难以预测会话会持续多长时间。例如，如果用户通过互联网玩视频游戏或启动直播视频流，会话会被延长不可预知的时间周期。我们方案的另一优势在于当用于优化计算资源时，不需要将其限制为使用电池功率作为唯一的约束。实际上，希望智能电话中的任务调度不仅考虑电池功率，而且还考虑其它约束，例如无线电资源（可利用的带宽）和工作的关键程度。还需要说明的是，希望智能电话支持诸如紧急呼叫的生命关键的应用，以及诸如银行交易的服务。因此，移动终端中的任务调度器会优选地考虑这些限制。在移动手持设备中，相比于其它硬件组件，无线电链路的硬件组件（无线调制解调器）典型地消耗更多的功率。为维持可靠链路而花费的功率总量进一步受到手持设备位置的影响。例如，相比于在小区塔直接附近的手持设备，远离小区塔的手持设备必定典型地使用更多的传输功率。此外，在漫游区域中的手持设备会通过频繁地搜索信号以尝试建立链路，并且这会导致较快地泄露功率。因此，手持设备的位置会影响应用可能消耗的功率的量，并且因此影响这些任务的功率感知调度。从而，提供可考虑手持设备位置的调度算法是有益的。调度算法的另一有益的特点在于具有适于在不同种类的电源之间切换的能力。从而，可典型地假定正在使用诸如电池的可耗尽电源，或者正在使用诸如充电器或墙壁电源插座的不可耗尽电源。然而，实际上，移动终端经常在电池和充电器或墙壁电源插座之间切换。希望任务调度算法识别出在电源之间的切换，并且因此调整其调度策略。值得注意的是，在这一点上，诸如微型发电机和太阳能电池的新型能源的使用优选的以功率感知的方式进行管理，这是由于这样的源例如会提供正好足够的功率以进行关键呼叫。调度算法的另一有益的特点是免于典型的假设，即每个任务会消耗恒定的和预先知道的电流量。至少在一些情况下，由于任务的持续时间是不可预测的，因此预测任务会消耗的整体电流是不可行的。典型的移动操作系统会允许功率通过设备驱动器对各种硬件子系统进行选择性控制。由于任务几乎不会在所有的时间使用所有的硬件系统，因此在任务的整个执行过程中，如果在不同点上重新计算实际消耗的功率是有益的。因此，任务调度算法将通过在每个调度阶段过程中重新计算功率消耗，来考虑功率消耗的变化。因此，示例性的功率感知管理方案使用移动终端中的功率感知任务管理器，其根据它们的功率需求来管理应用。在优选的实施方式中，这种示例性方案还增强功率后备，也就是，从非关键应用使用时扣留的放电容量的指定量，以确保关键服务的可适用性。基于网络的和基于应用的功率管理可用于帮助减小移动终端中的功率消耗。相似的原则还可用于在剩余的放电容量低时推迟执行非关键系统任务。可以理解的是，在这一点上，操作系统可将特定的系统任务（也就是，其操作受限于处理器的任务）视为“关键的”。然而，除非我们特别声明，“关键性”在下面的讨论中涉及用户应用，并不涉及系统任务。图1是无线通信系统100的示意图，其中在无线通信系统100中实施示例性功率感知管理方案的实施方式。在图中，我们不仅在移动终端中、而且在其它网络节点中，包括了功率感知元件。在移动终端外使用功率感知元件不应被视为我们发明的基本元素，尽管在本发明的一些实施方式中是有优势的。我们在图1中包括了这样的元件，并不用于进行限制的目的，而仅是解释我们方案的宽度和灵活性。如图所示，移动终端110包括电池电源120，基于终端的电源管理器（TPM）130，以及收发器单元140。接入节点150包括基于网络的功率管理器（NPM）160和收发器单元170。此外在网络中，应用服务器180包括基于应用的功率管理器（APM）190。应用服务器180典型地可位于无线网络外侧，但会与其进行通信。NPM会与移动终端中的TPM一致地工作以支持网络范围内的功率感知调度活动。在指示移动终端内的低电池电量时，APM会接管一些通常在移动终端内执行的应用处理。例如，对于计算量非常大的应用来说，这样的策略可能是非常有用的。在这样的情况下，通过将计算负担转移到网络实体来节省的功率会显著地超过在移动终端和网络实体之间进行通信时花费的额外能量。在下面会看到，移动终端中的示例性TPM模块包括功率感知监测模块，以估计实际的电源能力。还包括功率感知任务调度器，用于估计每个任务所需要的功率消耗，并且从而，通过对其进行调度、监测、挂起或停止来处理每个任务。示例性TPM模块的详细架构在图2的示意性框图中描述。诸如在图2中描述的TPM模块优选地是移动终端的操作系统的一部分。图2中的TPM模块（在图中标记为功率感知任务管理系统），包括下列组件：电池功率监测器210，根据电池的当前健康状态（SoH）和其充电级别计算电池205的提供执行指定任务需要的估计功率的能力。监测器210优选地是智能功率监测器，并且电池205优选的是智能电池（如图所示）。应用简档220，包括每个应用或至少几种应用的简档。应用简档中的数据例如可包括应用类型，其优先级别，其典型的执行时间，应用的使用历史，以及应用的长期使用模式。优先级别例如可以是用户指定的分类，如“关键的（critical）”或“非关键的（non-critical）”。其它优先级分类可根据应用的相对重要性定义两个或多个不同级别的等级。将会看到的是，相比于“非关键的”任务和应用，当可利用的功率较低时，操作的选择标准会倾向于“关键的”。相似地，应用简档会包括用户配置的指示以优先（override）于至少一些功率感知的选择标准。通信资源监测器230，监测通信链路状态和相关的度量。功率感知任务监测器240，监测长期运行的应用。任务监测器240更新长期运行应用的功率使用的测量，并且其计算由功率感知任务调度器（在下面描述的）使用的各种阈值参数。任务监测器240还收集与应用和它们的使用模式相关的统计。功率感知任务调度器250调度任务。根据完成任务所需要的估计功率、任务简档、通信资源和其它所要求资源的可用性来调度每个任务。5个组件210-250例如会作为移动操作系统中的软件模块运行。功率感知任务监测器和功率感知任务调度器可实现为对现有任务调度模块的增强，或者实现为附加的调度模块。电池功率监测器可实现为利用例如从智能电池接收输入并对其进行处理的智能电池API的附加软件模块。如果没有智能电池，那么合适的电池模型可优选地实现为该模块的一部分。通信资源监测器模块可实现为软件模块，该模块会需要与通信硬件交互以获得诸如信号强度、信道质量和带宽的输入。该模块可与GPS接收机或其它软件模块交互以获得可用于确定无线网络覆盖区域的位置信息。应用简档模块可实现为具有其自己的应用简档数据库的软件模块。这里讨论的各种软件模块可全部运行在例如形成移动终端的计算核心的中央数字处理器上，或者与中央处理器联合操作的辅助处理器上。数字存储设备可用于存储上述软件模块需要的数据，如下面讨论的。监测组件210-240可运行为一个或多个独立的系统过程。同样，它们可在后台运行。它们会周期性地获得相关参数，并将它们写入可由调度器250访问、并与在功率感知模块的操作中使用的各个参数相关的存储器位置中。下面详细描述这5个组件210-250。电池功率监测器跟踪移动终端的电池状态，并帮助使电池寿命最大化。电池寿命最大化是移动手持设备的重要设计标准。也就是，电池在各个放电周期呈现非线性行为。非线性行为还可在整个电池生命周期中的存储效率中观察到。电池倾向于在每个后续的充电周期后递送不太健壮的电量，这是由于不可逆的物理和化学变化。为了提供令人满意的用户体验，希望移动操作系统在调度用户应用和服务时考虑...