使用早期系統(tǒng)級(jí)功耗建模來測(cè)量和降低功耗

產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期階段的功率評(píng)估主要使用電子表格等分析方法進(jìn)行。這些電子表格通常包含不同任務(wù)或設(shè)備的功率，并且該表添加了最壞情況或功率的平均值。這些方法提供了一些見解，但它們未能捕捉到功耗的并發(fā)性質(zhì)。此外，這些模型是單獨(dú)評(píng)估的，不包含任務(wù)時(shí)序，并涵蓋了用例的整個(gè)設(shè)計(jì)空間。

電源管理是電子產(chǎn)品中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。消費(fèi)類應(yīng)用、天基系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心解決方案和高性能計(jì)算的產(chǎn)品特性受到功率預(yù)算的限制。原因是客戶需求、鋰離子電池的重量和安裝太陽能電池板的物理空間。目標(biāo)硬件資源上應(yīng)用程序任務(wù)圖的效率決定了能耗，并決定了電池選擇、能量收集和額外的電源管理。

必須從電子、顯示器、電氣和 MEMS 技術(shù)、電池和其他能量存儲(chǔ)以及電機(jī)和太陽能電池板等采集器的功耗的整體角度來看待電源。在系統(tǒng)級(jí)別，能源使用由用戶案例、每次運(yùn)行的啟動(dòng)次數(shù)和持續(xù)時(shí)間、復(fù)雜電子設(shè)備的電源狀態(tài)、基于活動(dòng)或不活動(dòng)的狀態(tài)機(jī)改變狀態(tài)以及功率最小化算法確定。在電池中，它是關(guān)于受請(qǐng)求峰值、充電速率、熱和物理沖擊以及每個(gè)電池系列屬性影響的生命周期。能量收集器與正確的角度或線圈、太陽光線和核材料等來源的可用性以及需求峰值有關(guān)。

多年來，已經(jīng)提出了許多電源管理算法。隨著時(shí)間的推移，這些算法已經(jīng)變得根深蒂固，并且它們的局限性暴露出來。因此，這些算法已經(jīng)在約束條件下發(fā)展或被基于軟件的電源管理所取代。更小的半導(dǎo)體工藝尺寸增加了泄漏功率，更大的處理器增加了熱絕緣要求，并且高帶寬傳感器數(shù)量的增加導(dǎo)致在更短的時(shí)間內(nèi)需要更高的阻力。數(shù)據(jù)移動(dòng)的減少、軟件任務(wù)的分配、任務(wù)調(diào)度和替代拓?fù)涞倪x擇也會(huì)影響功率。

實(shí)驗(yàn)

讓我們舉幾個(gè)簡單的例子，看看各種架構(gòu)決策對(duì)功耗的影響。一個(gè)是混合動(dòng)力汽車，另一個(gè)是 Cubesat，第三個(gè)是多核片上系統(tǒng)或處理器。

在混合動(dòng)力汽車中，我們著眼于為電池充電并為系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)供電的電機(jī)產(chǎn)生的能量。VisualSim 中的系統(tǒng)仿真框圖如圖 1 所示。對(duì)于特定配置，生成的報(bào)告如圖 2 所示。從總功率圖中可以看出，峰值功率的請(qǐng)求持續(xù)時(shí)間非常短時(shí)間。您還可以查看哪些設(shè)備同時(shí)激活，哪些設(shè)備很少或隨機(jī)打開。此電源配置文件提供了對(duì)低功耗活動(dòng)時(shí)段、禁用設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)以及電池大小的可見性。

圖 1：VisualSim 中混合動(dòng)力 SUV 的系統(tǒng)級(jí)功率模型框圖。

圖 2：VisualSim 中 Hybrid SUV 模型的功率曲線。

第二種設(shè)計(jì)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的 CubeSat 系統(tǒng)，并從光伏電池接收電力。該設(shè)計(jì)結(jié)合了衛(wèi)星在陽光直射和日食期間的行為。用例是在每個(gè)軌道上定義的，處理過程會(huì)考慮一天中的時(shí)間、啟用的任務(wù)數(shù)量、每個(gè)任務(wù)期間活動(dòng)的子系統(tǒng)以及活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。處理設(shè)備在放電期間設(shè)置為較低的速度，在充電期間處于全性能狀態(tài)。圖 3 顯示了 CubeSat 的框圖，它包含四個(gè)部分：每個(gè)軌道用例的任務(wù)圖、電池和光伏電池、子系統(tǒng)及其與總線和調(diào)度程序的連接。圖 4 顯示了 10，000 個(gè)軌道的平均和瞬時(shí)功率，

圖 3：VisualSim 中用于評(píng)估功率、時(shí)間期限和任務(wù)到系統(tǒng)分配的 Cubesat 框圖。

圖 4：CubeSat 架構(gòu)探索模型的電源和活動(dòng)視圖。

最后一個(gè)示例是具有自定義調(diào)度程序的多核片上系統(tǒng)，而不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。有四個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，處理時(shí)間不同。在此示例中，我們?cè)u(píng)估了在任務(wù)到達(dá)時(shí)調(diào)度任務(wù)與提供偏移量的影響。評(píng)估指標(biāo)是延遲增加與功耗降低。圖 5 顯示了多核架構(gòu)的功耗和延遲的仿真結(jié)果，沒有任務(wù)偏移。如您所見，所有四個(gè)內(nèi)核都在使用中。圖 6 顯示了并行任務(wù)之間使用偏移量為 35.0 的類似圖。您可以看到延遲完全沒有受到影響，但活動(dòng)內(nèi)核的數(shù)量已減少到兩個(gè)。我們降低了成本，也降低了功耗。如果要求可以處理額外的延遲，

圖 5：并發(fā)任務(wù)之間沒有偏移的多核架構(gòu)模型。

圖 6：多核架構(gòu)的功耗、延遲和活動(dòng)圖，并發(fā)任務(wù)之間的偏移量很小。

我們使用 Mirabilis Design 的 VisualSim 進(jìn)行分析。VisualSim Architect 是用于電子和半導(dǎo)體架構(gòu)探索的圖形建模和仿真。我們使用 VisualSim 的預(yù)構(gòu)建庫和標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。建模環(huán)境使我們能夠捕捉電子、電氣子系統(tǒng)和 MEMS 的時(shí)序和功耗。結(jié)果，我們可以獲得整個(gè)系統(tǒng)的全局視圖。多核架構(gòu)使用 ARM Cortex A53 的四核周期精確模型。我們之所以選擇 A53，是因?yàn)樘幚砥鞴?yīng)商提供了廣泛的片上系統(tǒng) （SoC），并且 FPGA 供應(yīng)商已將其整合到他們的新一代 MPSoC FPGA 中。所有三個(gè)模型都在大約兩周的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建和評(píng)估。

結(jié)論

系統(tǒng)級(jí)建?？捎糜谠陧?xiàng)目開始時(shí)測(cè)量功耗。模型必須將所有子系統(tǒng)的時(shí)序、功率和功能整合到架構(gòu)模型中。這確保您可以查看系統(tǒng)不同部分之間的交互，還可以查看您如何通過共享資源獲得優(yōu)勢(shì)，同時(shí)不放棄任何性能。為了評(píng)估系統(tǒng)建模的真正好處，我們對(duì)大型系統(tǒng)、嵌入式架構(gòu)和半導(dǎo)體進(jìn)行了測(cè)試。我們發(fā)現(xiàn)即使評(píng)估可能不同，相同的方法也可以應(yīng)用于這些細(xì)分市場(chǎng)。VisualSim Architect 擁有所有這些應(yīng)用程序部分的庫，這使我們能夠加快模型開發(fā)。

審核編輯：郭婷