嵌入式ARM處理器的節(jié)能優(yōu)勢(shì)

許多嵌入式ARM處理器的系統(tǒng)都是基于電池供電的能量供應(yīng)方式，而處理器的功耗對(duì)于整個(gè)SoC芯片至關(guān)重要，因此ARM處理器的低功耗優(yōu)勢(shì)可以充分節(jié)省能量消耗?？傊?dāng)前的典型功耗的電流圖并不依賴于標(biāo)準(zhǔn)過程、標(biāo)準(zhǔn)集或工作負(fù)載。

EnergyBench提供若干工具，這些工具可容易低與經(jīng)濟(jì)實(shí)用的硬件結(jié)合使用，以便使用E EM B C開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量典型功耗。不過，除了處理器之外，具體芯片設(shè)計(jì)和集成到芯片內(nèi)部的外圍模塊也是影響芯片功耗的重要因素。雖然許多芯片供應(yīng)商都會(huì)在產(chǎn)品的datasheet中提供功耗參數(shù)，但是這些參數(shù)往往是不具可比性的。當(dāng)設(shè)計(jì)者試圖對(duì)集成到SoC中的不同處理器進(jìn)行對(duì)比時(shí)，如果想要弄清楚處理器的真實(shí)功耗是怎樣的，將會(huì)變得非常困難。這是因?yàn)?，供?yīng)商經(jīng)常使用典型功耗參數(shù)來描述他們的處理器，卻很少表明進(jìn)行這些測(cè)量時(shí)處理器的工作負(fù)載，而這將是決定能量和功率參數(shù)的關(guān)鍵因素。

許多嵌入式ARM 處理器的系統(tǒng)都是采用電池供電的方式。因此，ARM 被公認(rèn)為是處理器領(lǐng)域的“低功率領(lǐng)導(dǎo)者”。

然而系統(tǒng)的功耗不僅僅取決于處理器，此外，具體芯片設(shè)計(jì)和集成到芯片內(nèi)部的外圍模塊也將影響片上能量的消耗。

雖然許多芯片供應(yīng)商都會(huì)在產(chǎn)品的datasheet中提供功耗參數(shù)，但是這些參數(shù)往往是不具可比性的。這是因?yàn)?，供?yīng)商經(jīng)常使用典型功耗參數(shù)來描述他們的處理器，卻很少表明進(jìn)行這些測(cè)量時(shí)處理器的工作負(fù)載。

以前業(yè)界通常將關(guān)注的焦點(diǎn)放在處理器的性能方面，但是隨著E EM B C等組織開發(fā)出各種測(cè)試基準(zhǔn)(諸如面向汽車、消費(fèi)電子和網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域的基準(zhǔn)測(cè)試)，我們可以更清楚的了解處理器內(nèi)部的真實(shí)情況。隨著功耗問題正逐漸嵌入式應(yīng)用中的關(guān)注焦點(diǎn)，因此在評(píng)價(jià)處理器時(shí)，必須將功耗作為與性能參數(shù)同等重要的指標(biāo)。其最終目標(biāo)是幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在便攜式應(yīng)用中得到性能和功率間的最佳平衡。

EEMBC實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的方法是開發(fā)基準(zhǔn)軟件實(shí)用工具Energy B ench，它可以在處理器實(shí)際工作負(fù)載時(shí)提供有關(guān)能量消耗的真實(shí)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)人員可同時(shí)使用EnergyBench和EEMBC性能基準(zhǔn)，以比較不同處理器在執(zhí)行一系列標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用任務(wù)時(shí)的能量消耗效率。在使用EnergyBench查看單個(gè)設(shè)備的功耗時(shí)，顯然不存在所謂的“典型功率”，因?yàn)檫\(yùn)行不同的E EM B C基準(zhǔn)時(shí)，其平均功率有很大的變化。EnergyBench不能反映處理器的典型功率，但通過它可以在特定性能級(jí)別上得到某些特定算法或應(yīng)用的典型功耗值。

使用美國國家儀器公司(National Instruments)的LabVIEW平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡，EEMBC已成功實(shí)現(xiàn) EnergyBench。DAQ卡可提供多個(gè)差分測(cè)量通道，它們?cè)试S同時(shí)對(duì)多個(gè)電源輸入進(jìn)行功耗測(cè)量(每次測(cè)量都需要捕獲電壓和電流)和一個(gè)觸發(fā)器通道。任何A R M處理器或使用評(píng)估板或自己硬件平臺(tái)的供應(yīng)商，只需修改其板級(jí)電路以實(shí)現(xiàn)電源輸入線的可測(cè)量和添加分流電阻器。

EnergyBench就可以使用DAQ卡對(duì)電壓和觸發(fā)器通道進(jìn)行采樣并將所有采樣結(jié)果寫入文件。靈活的觸發(fā)機(jī)制可實(shí)現(xiàn)性能基準(zhǔn)測(cè)試與功率測(cè)量的同步進(jìn)行。這確保了測(cè)量所得的代表的是基準(zhǔn)代碼運(yùn)行時(shí)的功耗，而不包括基準(zhǔn)初始化或保留記錄階段中的功耗。

在運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試和功耗采樣時(shí)，必須確保結(jié)果的可靠性、可重復(fù)性和一致性，這對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)的普及顯得尤其重要。EnergyBench通過多種方法來確保這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)：

1. 可靠性：

通常情況下，為獲得精確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，必須以2 X N y q u i s t頻率或更高頻率進(jìn)行采樣，或者在隨機(jī)點(diǎn)上采樣。

EnergyBench采樣模塊接受將采樣頻率作為輸入，然后必須使用不同的采樣頻率多次調(diào)用模塊?；鶞?zhǔn)運(yùn)行期間使用未混淆頻率進(jìn)行多次采樣所生成的采樣點(diǎn)可避免與基準(zhǔn)執(zhí)行產(chǎn)生任何共振。換句話說，假設(shè)每個(gè)基準(zhǔn)的重復(fù)測(cè)試大致上都發(fā)生在周期性的間隔內(nèi)，使用未與周期混淆的頻率可確保在每次重復(fù)中進(jìn)行偽隨機(jī)點(diǎn)采樣。該方法易于實(shí)現(xiàn)，并可保證統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精確性。使用這種靈活的方法可輕松檢測(cè)與基準(zhǔn)周期混淆的頻率，因?yàn)檫@將在其中一個(gè)采樣頻率中導(dǎo)致不同的結(jié)果。如果檢測(cè)到這種情況，會(huì)選擇一組新的未混淆頻率并進(jìn)行測(cè)試，直至得到有效結(jié)果。

2. 一致性：

因?yàn)槲覀兛梢愿鶕?jù)需要多次重復(fù)測(cè)試和任意提高采樣頻率，所以EnergyBench會(huì)進(jìn)行多次采樣，直到可以通過精確的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到平均功耗。如果每次重復(fù)的值偏差太大，則可以通過提高采樣頻率以增加精確性并降低偏差。

3. 可重復(fù)性：

測(cè)量過程重復(fù)多次以保證測(cè)量準(zhǔn)確性，并計(jì)算最終結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。還可以很容易得到任何的檢測(cè)偏差，因?yàn)槊看芜\(yùn)行每個(gè)基準(zhǔn)都產(chǎn)生基準(zhǔn)每次重復(fù)的平均耗電量。當(dāng)然，如果假定供應(yīng)商提供的目標(biāo)器件是具有普遍性的，那么對(duì)該器件進(jìn)行測(cè)試而得到結(jié)果就認(rèn)為是可信的。同時(shí)EEMB一直都有非常嚴(yán)格的認(rèn)證程序，以保證所選中的被測(cè)芯片具有代表性。

基于同樣的原因，針對(duì)生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)任何細(xì)小偏差的潛在可能性，所有半導(dǎo)體制造商都應(yīng)該事先有所考慮，而EnergyBench面向眾多潛在應(yīng)用的測(cè)試，恰恰可以幫助制造商深入了解如何選擇測(cè)試芯片和測(cè)試，因?yàn)檫@些都會(huì)最終影響功耗測(cè)試結(jié)果。

在某個(gè)基準(zhǔn)運(yùn)行完多次重復(fù)測(cè)試，并捕獲所有測(cè)量采樣數(shù)據(jù)后，分析模塊會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出進(jìn)行該基準(zhǔn)測(cè)試的平均功耗。根據(jù)平均功耗值，EEMBC功率分析模塊通過分析每次測(cè)試捕獲的樣本，尋找數(shù)據(jù)樣本中的最小值和最大值。

如果特定采樣頻率的變動(dòng)太大，用戶可提高頻率和/或基準(zhǔn)重復(fù)次數(shù)，直至上述采樣數(shù)據(jù)足夠穩(wěn)定，這樣平均值的置信區(qū)間在落在指定公差(95%)范圍內(nèi)，從而保證所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

EnergyBench測(cè)試的最終結(jié)果是芯片在運(yùn)行某個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)的平均功耗值。

EEMBC 認(rèn)證的 EnergymarkTM測(cè)試結(jié)果作為一個(gè)可選參數(shù)，芯片制造商可選擇將它與芯片性能參數(shù)一起提供給客戶，

作為表明處理器電量消耗的參考。

EnergyBench規(guī)范規(guī)定器件的準(zhǔn)備時(shí)間至少30分鐘，環(huán)境溫度為70°F+/-5°F。

這些基本條件對(duì)于確保結(jié)果的一致性非常重要。因?yàn)橛凶C據(jù)表明隨著器件溫度的升高，其功耗也會(huì)隨之升高。

DAQ卡允許且EnergyBench規(guī)范也要求測(cè)量處理器上的所有power rail。顯然地，對(duì)于那些引腳數(shù)量有限的低端A R M b a s e d器件而言，能測(cè)量的power rail很少。具有多電源輸入的高端ARM based器件則必須進(jìn)行多次運(yùn)行基準(zhǔn)，以便捕獲完整的處理器功耗數(shù)據(jù)。EnergyBench的Test Harness中包括多個(gè)可執(zhí)行文件，可同時(shí)測(cè)量一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)power rail。對(duì)于使用多個(gè)power rail(即內(nèi)核電源和I/O電源)實(shí)現(xiàn)的處理器，可通過兩種方法計(jì)算基準(zhǔn)每次重復(fù)測(cè)試的功耗。在第一種方法中，EnergyBench使用DAQ卡最多可同時(shí)測(cè)量三個(gè)p owerrail。但使用此方法時(shí)，因?yàn)樗型ǖ蓝急仨毷褂孟嗤牟蓸勇剩钥赡苄枰档虳 A Q卡的采樣率，以便主機(jī)能夠跟得上采樣過程(這是因?yàn)橥瑫r(shí)輸入數(shù)據(jù)過多)。另外，也可以單獨(dú)測(cè)量power rail，每個(gè)power rail功耗值的總和即為累積功耗總值。

究竟選用哪種方法呢?

首先，有些處理器的power rail數(shù)量超過三個(gè)。即使同時(shí)測(cè)量了三個(gè)power rail，但仍然有必要對(duì)某個(gè)power rail進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，或考慮在更多輸入通道上使用DAQ卡。

此外，采樣頻率應(yīng)該與處理器的操作頻率成比例，以確保每個(gè)基準(zhǔn)在重復(fù)測(cè)試時(shí)采樣到數(shù)據(jù)足夠充足。為了容納G H z級(jí)處理器，可能需要較高的采樣率，以便主機(jī)一次只測(cè)試一個(gè)power rail。

為深入了解該方法，我們考慮到許多替代方案。如指定功耗測(cè)量時(shí)的連接溫度以及使用高頻示波器和高可控測(cè)試環(huán)境。但是，由于我們并非為了描述芯片特征本身，而是為了確定典型功耗，所以我們決定使用可用硬件和控制環(huán)境溫度，而不是連接或某個(gè)案例的溫度。另一個(gè)問題是功耗測(cè)量需要面向從低至5MHz微控制器到高至當(dāng)今市場(chǎng)上速度最快的處理器等目標(biāo)器件。因此還必需考慮能夠在多處重復(fù)該測(cè)量而不是在某種特定環(huán)境下，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證。使用可編程DAQ，我們可以輕松指定參數(shù)(如采樣頻率)，然后永久保留捕獲的所有數(shù)據(jù)。

總之，當(dāng)前的典型功耗的電流圖并不依賴于標(biāo)準(zhǔn)過程、標(biāo)準(zhǔn)集或工作負(fù)載。

EnergyBench提供若干工具，這些工具可容易低與經(jīng)濟(jì)實(shí)用的硬件結(jié)合使用，以便使用E EM B C開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量典型功耗。