ARM處理器在節(jié)能方面具有哪些優(yōu)勢

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，而處理器的功耗對于整個SoC芯片至關(guān)重要，因此ARM處理器的低功耗優(yōu)勢可以充分節(jié)省能量消耗?？傊?，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)集或工作負載。

EnergyBench提供若干工具，這些工具可容易低與經(jīng)濟實用的硬件結(jié)合使用，以便使用E EM B C開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方法測量典型功耗。不過，除了處理器之外，具體芯片設(shè)計和集成到芯片內(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)計者試圖對集成到SoC中的不同處理器進行對比時，如果想要弄清楚處理器的真實功耗是怎樣的，將會變得非常困難。這是因為，供應(yīng)商經(jīng)常使用典型功耗參數(shù)來描述他們的處理器，卻很少表明進行這些測量時處理器的工作負載，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，A R M 被公認為是處理器領(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。
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雖然許多芯片供應(yīng)商都會在產(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。這是因為，供應(yīng)商經(jīng)常使用典型功耗參數(shù)來描述他們的處理器，卻很少表明進行這些測量時處理器的工作負載。

以前業(yè)界通常將關(guān)注的焦點放在處理器的性能方面，但是隨著E EM B C等組織開發(fā)出各種測試基準(zhǔn)（諸如面向汽車、消費電子和網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域的基準(zhǔn)測試），我們可以更清楚的了解處理器內(nèi)部的真實情況。隨著功耗問題正逐漸嵌入式應(yīng)用中的關(guān)注焦點，因此在評價處理器時，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)計人員在便攜式應(yīng)用中得到性能和功率間的最佳平衡。

E E M B C實現(xiàn)此目標(biāo)的方法是開發(fā)基準(zhǔn)軟件實用工具Energy B ench，它可以在處理器實際工作負載時提供有關(guān)能量消耗的真實數(shù)據(jù)。設(shè)計人員可同時使用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)時的能量消耗效率。在使用EnergyBench查看單個設(shè)備的功耗時，顯然不存在所謂的“典型功率”，因為運行不同的E EM B C基準(zhǔn)時，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平臺和數(shù)據(jù)采集（DAQ）卡，EEMBC已成功實現(xiàn) EnergyBench。DAQ卡可提供多個差分測量通道，它們允許同時對多個電源輸入進行功耗測量（每次測量都需要捕獲電壓和電流）和一個觸發(fā)器通道。任何A R M處理器或使用評估板或自己硬件平臺的供應(yīng)商，只需修改其板級電路以實現(xiàn)電源輸入線的可測量和添加分流電阻器。

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

在運行基準(zhǔn)測試和功耗采樣時，必須確保結(jié)果的可靠性、可重復(fù)性和一致性，這對該標(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)的實現(xiàn)：

1. 可靠性：

通常情況下，為獲得精確的統(tǒng)計結(jié)果，必須以2 X N y q u i s t頻率或更高頻率進行采樣，或者在隨機點上采樣。

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。基準(zhǔn)運行期間使用未混淆頻率進行多次采樣所生成的采樣點可避免與基準(zhǔn)執(zhí)行產(chǎn)生任何共振。換句話說，假設(shè)每個基準(zhǔn)的重復(fù)測試大致上都發(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)中進行偽隨機點采樣。該方法易于實現(xiàn)，并可保證統(tǒng)計結(jié)果的精確性。使用這種靈活的方法可輕松檢測與基準(zhǔn)周期混淆的頻率，因為這將在其中一個采樣頻率中導(dǎo)致不同的結(jié)果。如果檢測到這種情況，會選擇一組新的未混淆頻率并進行測試，直至得到有效結(jié)果。

2. 一致性：

因為我們可以根據(jù)需要多次重復(fù)測試和任意提高采樣頻率，所以EnergyBench會進行多次采樣，直到可以通過精確的統(tǒng)計數(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：

測量過程重復(fù)多次以保證測量準(zhǔn)確性，并計算最終結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。還可以很容易得到任何的檢測偏差，因為每次運行每個基準(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，那么對該器件進行測試而得到結(jié)果就認為是可信的。同時EEMB一直都有非常嚴格的認證程序，以保證所選中的被測芯片具有代表性。

基于同樣的原因，針對生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)任何細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)用的測試，恰恰可以幫助制造商深入了解如何選擇測試芯片和測試，因為這些都會最終影響功耗測試結(jié)果。

在某個基準(zhǔn)運行完多次重復(fù)測試，并捕獲所有測量采樣數(shù)據(jù)后，分析模塊會根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算出進行該基準(zhǔn)測試的平均功耗。根據(jù)平均功耗值，E E M B C功率分析模塊通過分析每次測試捕獲的樣本，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測試的最終結(jié)果是芯片在運行某個基準(zhǔn)測試時的平均功耗值。

EEMBC 認證的 EnergymarkTM測試結(jié)果作為一個可選參數(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)備時間至少30分鐘，環(huán)境溫度為70°F+/-5°F。

這些基本條件對于確保結(jié)果的一致性非常重要。因為有證據(jù)表明隨著器件溫度的升高，其功耗也會隨之升高。

D A Q卡允許且E n e rg y B e n c h規(guī)范也要求測量處理器上的所有power rail。顯然地，對于那些引腳數(shù)量有限的低端A R M b a s e d器件而言，能測量的power rail很少。具有多電源輸入的高端ARM based器件則必須進行多次運行基準(zhǔn)，以便捕獲完整的處理器功耗數(shù)據(jù)。EnergyBench的Test Harness中包括多個可執(zhí)行文件，可同時測量一個、兩個或三個power rail。對于使用多個power rail（即內(nèi)核電源和I/O電源）實現(xiàn)的處理器，可通過兩種方法計算基準(zhǔn)每次重復(fù)測試的功耗。在第一種方法中，EnergyBench使用DAQ卡最多可同時測量三個p owerrail。但使用此方法時，因為所有通道都必須使用相同的采樣率，所以可能需要降低D A Q卡的采樣率，以便主機能夠跟得上采樣過程（這是因為同時輸入數(shù)據(jù)過多）。另外，也可以單獨測量power rail，每個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。即使同時測量了三個power rail，但仍然有必要對某個power rail進行單獨測量，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，以確保每個基準(zhǔn)在重復(fù)測試時采樣到數(shù)據(jù)足夠充足。為了容納G H z級處理器，可能需要較高的采樣率，以便主機一次只測試一個power rail。

為深入了解該方法，我們考慮到許多替代方案。如指定功耗測量時的連接溫度以及使用高頻示波器和高可控測試環(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，而不是連接或某個案例的溫度。另一個問題是功耗測量需要面向從低至5MHz微控制器到高至當(dāng)今市場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)該測量而不是在某種特定環(huán)境下，并對結(jié)果進行獨立驗證。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)集或工作負載。

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