嵌入式系統(tǒng)中外圍器件的能耗估算方法

在目前的嵌入式系統(tǒng)中，外圍器件是造成大量能耗的主要原因，本文介紹一種精確到每個(gè)周期的外圍器件的能耗計(jì)算方法，利用它可以計(jì)算輪詢、I/O中斷和直接存儲(chǔ)器存取(DMA)過程的能耗，由此得出整個(gè)軟件運(yùn)行的能耗曲線，讓軟件設(shè)計(jì)工程師可確定在程序流中的哪一程序段正在消耗大量的功率，因而可以從軟件設(shè)計(jì)角度優(yōu)化嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

在嵌入式系統(tǒng)中，能量的大部分被音頻、視頻和無線連接這樣的外圍器件所消耗，本文介紹了一種精確到每個(gè)周期的能耗曲線的測(cè)試工具。通過能耗曲線，軟件設(shè)計(jì)工程師可確定在程序流中的哪一程序段正在消耗大量的功率。

在處理器和外圍器件之間有兩種不同類型的通訊協(xié)議，即輪詢和基于中斷的通訊。采用DMA可以使內(nèi)存和外圍器件之間直接訪問。各個(gè)I/O元件是以不同的運(yùn)行模式工作的，對(duì)于各個(gè)模式，每一個(gè)周期值的相應(yīng)能耗可由制造商的數(shù)據(jù)表中所給的功率及性能值計(jì)算出來。下面本文將從能耗優(yōu)化問題的提出、方法和仿真結(jié)果三個(gè)方面討論嵌入式系統(tǒng)中外圍器件的能耗估算問題。

能耗優(yōu)化問題的提出

過去，大量的研究工作僅單獨(dú)考慮處理器的能耗，在當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)中，處理器在總能耗預(yù)算中占有限的比率，有一些研究工作探討了處理器和內(nèi)存之間的存儲(chǔ)和通迅系統(tǒng)的能耗優(yōu)化問題。但是，目前的便攜嵌入式系統(tǒng)常運(yùn)行多媒體應(yīng)用，該應(yīng)用需要多種外圍器件，像音頻和無線連接這樣的外圍器件對(duì)能耗就有很大影響，對(duì)于無線連接，其影響可達(dá)到總系統(tǒng)能耗的60%。

有人提出了一種用于優(yōu)化外圍器件及其驅(qū)動(dòng)器的方法，他用事件驅(qū)動(dòng)的有限狀態(tài)機(jī)附加約束和綜合模式來定義器件驅(qū)動(dòng)器的行為，器件驅(qū)動(dòng)器用給定的約束條件自動(dòng)合成，其目的是自動(dòng)建立與器件驅(qū)動(dòng)器無關(guān)的平臺(tái)，該平臺(tái)可很容易地被映射為專用平臺(tái)，但是問題在于沒有提出考慮了外圍器件的系統(tǒng)級(jí)能耗仿真器。

本文介紹的能耗驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化方法對(duì)外圍器件進(jìn)行精確到每個(gè)周期的能耗仿真，用于這類器件的能耗模型由制造商所提供的數(shù)據(jù)表建立。精確到每個(gè)周期的仿真器(cycle accurate simulator)可仿真MP3音頻重放或MPEG視頻等先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用。本文介紹的能耗曲線能夠顯示包括外圍器件的每個(gè)硬件元件(如處理器)上每個(gè)軟件程序段所消耗的能量，由此得出總的系統(tǒng)能耗曲線。