早期系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的功耗建模和估計(jì)

隨著 SoC 設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加，系統(tǒng)級(jí)功耗估算正成為一個(gè)關(guān)鍵因素。這個(gè)由兩部分組成的系列的第一部分解釋了為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況，并介紹了一個(gè)用于評(píng)估子系統(tǒng)、芯片和整個(gè)系統(tǒng)的功耗的綜合建模平臺(tái)。

隨著應(yīng)用程序可擴(kuò)展性的提高，在許多情況下，低功耗已變得與處理性能一樣重要。不幸的是，到目前為止，設(shè)計(jì)工程師一直使用電子表格來(lái)估算系統(tǒng)級(jí)功耗。

這種方法非常耗時(shí)且容易出錯(cuò)，尤其是在使用復(fù)雜的 SoC 和復(fù)雜的電源管理技術(shù)時(shí)。必須在每個(gè)抽象級(jí)別以高精度執(zhí)行功耗分析，以便對(duì)設(shè)計(jì)的功耗和功耗優(yōu)化的效果充滿(mǎn)信心。

例如，確定架構(gòu)的整體能源概況需要分析從功耗到能源管理的范圍，以及這些因素如何與機(jī)械外殼相互作用。需要早期反饋以了解系統(tǒng)的限制和要求，以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性如何影響功率是您系統(tǒng)未來(lái)的主要因素。

吞吐量分析是不夠的。有必要在設(shè)計(jì)的早期階段了解功率。

功率測(cè)量的綜合建模

視覺(jué)模擬提出了一種提供早期功耗估計(jì)的新方法，使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)圖形建模環(huán)境快速評(píng)估不同架構(gòu)和電源管理技術(shù)的能量分布。VisualSim 是一種基于模型的系統(tǒng)仿真軟件，它使用基于組件的建模方法加速開(kāi)發(fā)并提供大量報(bào)告。該系統(tǒng)可以是處理器、SoC、自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)、飛行航電控制器或冒險(xiǎn)相機(jī)。建模組件可以是資源、FPGA、分立組件、電氣系統(tǒng)、MEMS、處理器、基于分布的流量生成器、硬件外圍設(shè)備或軟件圖。使用 VisualSim，可以分析和建模發(fā)電、存儲(chǔ)、消耗和管理，以及它對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)、

專(zhuān)門(mén)針對(duì)本文的目的，VisualSim 電源建模工具包提供了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)電源探索解決方案，該解決方案可以捕獲系統(tǒng)或半導(dǎo)體中能量的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和消耗。它甚至可以通過(guò)捕獲設(shè)備的狀態(tài)變化來(lái)計(jì)算動(dòng)態(tài)功率。

分層功率分析允許通過(guò)三個(gè)獨(dú)特的功率建模模塊從芯片級(jí)到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率建模。

能量收集器塊：

提供一種方便的方式來(lái)模擬基于電機(jī)的電力采集器

支持不同的基于時(shí)間的機(jī)制，例如風(fēng)力渦輪機(jī)

可直接連接到電池充電設(shè)備

功率表：

研究和建模電力基礎(chǔ)設(shè)施

確定資源操作的功耗

支持優(yōu)化電源管理算法的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)化了為電池供電設(shè)備選擇合適的電池配置

電源管理器塊：

與每個(gè)具有電源功能的 IP 塊就其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行通信

可以定義提供自定義功耗統(tǒng)計(jì)的模塊

支持用戶(hù)可指定的電源門(mén)控機(jī)制

可以捕捉瞬時(shí)功率變化

VisualSim 會(huì)考慮設(shè)備的活動(dòng)和狀態(tài)變化，例如從睡眠到深度睡眠的邏輯。它還跟蹤每種狀態(tài)下的功耗、不同任務(wù)的不同功率水平以及不同的發(fā)電過(guò)程。

發(fā)電和電池模型

VisualSim 提供多種發(fā)電模塊。VisualSim 包含當(dāng)前市場(chǎng)上的許多設(shè)備的電源數(shù)據(jù)，這可以節(jié)省用戶(hù)的時(shí)間和精力，但您也可以輸入現(xiàn)有系統(tǒng)電源配置文件的跟蹤并在平臺(tái)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。

還包括各種電池模型，這些模型超越了基于系統(tǒng)請(qǐng)求的充電和放電仿真。電池模型包含外部沖擊和熱活動(dòng)、充電/放電循環(huán)次數(shù)及其速率、電涌次數(shù)，以及所有這些如何影響電池壽命和最大充電量。

然后可以使用 VisualSim Power Table 優(yōu)化這些系統(tǒng)架構(gòu)參數(shù)。

功率表

電源表與電池和能量收集器一起工作，以測(cè)量實(shí)驗(yàn)性電源管理算法及其對(duì)功耗的潛在影響。與 VisualSim 的其余部分一樣，它可以適應(yīng)動(dòng)態(tài)狀態(tài)變化、設(shè)備內(nèi)的不同狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，并與模型的時(shí)序一起工作（盡管它確實(shí)引入了與狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間相關(guān)的延遲）。

自定義塊

自定義塊可以是具有多個(gè)狀態(tài)的單個(gè)實(shí)例。使用電源更新 RegEx 更改電源狀態(tài)。

自定義設(shè)備也可以是單個(gè)設(shè)備中具有多個(gè)相同實(shí)例的塊。PCIe 中的根復(fù)合體端口就是一個(gè)很好的例子。此處，端口的通道數(shù)不同，不同通道數(shù)的功率將是自定義狀態(tài)列 Active_4、Active_8 等，其中每個(gè)端口是一個(gè)隊(duì)列號(hào)。

當(dāng)每個(gè)端口接收到一個(gè)請(qǐng)求時(shí)，它可以作為 PCIe 的一個(gè)實(shí)例添加到 Power Table 隊(duì)列中。這是使用 powerUpdateN RegEx 運(yùn)算符完成的。

圖 1. 功率表配置。

如圖 1 所示，功率表模塊的參數(shù)分為三個(gè)主要區(qū)域。

Manager Set-Up 維護(hù)以下屬性的列表：

設(shè)備名稱(chēng)：維護(hù)功率表中所有設(shè)備的列表

電源狀態(tài)：列出并顯示所有不同類(lèi)型的狀態(tài)

狀態(tài)轉(zhuǎn)換：根據(jù)正在線(xiàn)程化的任務(wù)類(lèi)型跟蹤活動(dòng)和非活動(dòng)狀態(tài)。

Exist： 給出設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。

Async-State-Change 包含一個(gè)“時(shí)間狀態(tài)”，它顯示狀態(tài)應(yīng)該改變之前的時(shí)間段，可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

表達(dá)式列表允許設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)有關(guān)功率值和狀態(tài)變化的不同邏輯。它還支持表達(dá)式列表塊的邏輯和正則表達(dá)式。表達(dá)式必須是單行并以“;”結(jié)尾。

邁向真實(shí)世界的功率分析

如前所述，VisualSim 建模和仿真環(huán)境配備了準(zhǔn)確確定從 IP 塊到復(fù)雜的多設(shè)備部署的系統(tǒng)功率分布所需的所有功能。為了證明其在行動(dòng)中的價(jià)值，早期系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的功耗建模和估計(jì)的第二部分 將展示該工具在多個(gè)研究場(chǎng)景中的表現(xiàn)，包括：

抵消并發(fā)任務(wù)

比較以 1 GHz 運(yùn)行的單核與以 250 MHz 運(yùn)行的四核

動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放 （DVFS）

電源門(mén)控

這些場(chǎng)景在四核處理器上執(zhí)行，該處理器使用調(diào)度程序執(zhí)行四個(gè)并發(fā)線(xiàn)程和中斷。

審核編輯：郭婷