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EnergyBench – 评估嵌入式处理器功耗的工具

Markus Levy?? EEMBC president?? 2009年01月12日 ?? 收藏0

  各类内置嵌入式处理器的电子产品的功耗目前已经成为系统设计领域的前沿问题。手持式电子产品需要在实现低功耗的同时,最大限度地发挥产品的性能和特色。随着电价的不断提高,高性能系统的设计者不得不面对的挑战是降低能耗,以满足空间限制、散热和能源之星计划所提出的具体要求。但目前尚缺乏一种标准的方法来量化嵌入式器件的实际功耗。

  许多处理器厂家在产品参数表中标明了产品功耗,但这些数据却很难相互进行比较。厂家也提供处理器的标准功率,但却很少标示出在测量功率时负载状况。

  为解决上述问题,嵌入式微处理器测试基准协会(EEMBC)发明了一种软件工具,显示在运行特定应用负载时处理器的实际功耗。该软件名为EnergyBench,设计者可以利用它和协会其他性能标准共同确定各种处理器在执行一系列以应用为核心的标准化任务时的功耗。利用与全套性能测试直接相关的功耗测量标准,设计者可以比较不同厂家产品的性能/功耗状况,并从中挑选出特定应用条件和功耗预算下最切合需要的处理器产品。

  EnergyBench最重要的启示之一是根本不存在所谓的“典型功耗”,因为嵌入式微处理器测试基准协会在数字娱乐、联网和自动控制等基准套件的目标应用领域驱动内核时所需的平均功耗数据差异极大。EnergyBench并未试图就某种特定器件达成放之四海而皆准的虚幻的“典型功耗”,而是关注在特定的性能水平上,某一种算法或者应用程序所需的典型功耗。

  EnergyBench的测试方法

  嵌入式微处理器测试基准协会采用美国国家仪器有限公司数据采集(DAQ)卡和LabVIEW软件平台进行EnergyBench功耗测量。该数据采集卡支持多测量通道,可以在多功率轨上同时进行功耗测量(所有测量均需获取电压和电流数据),并同时进行触发通道采样。EnergyBench利用数据采集卡对电压进行采样,并为实现性能基准和功耗测试同步提供一条触发通道。这样可以保证在基准代码的同步部分测量功耗,从而避免计入基准初始化或记录保存阶段的功耗状况。

  EnergyBench采样模块接受配置文件,该文件可以通过为触发探测和电压电流通道指定电压水平来定义触发机制。

  若企业希望公开其EnergyBench测量得分,则须先获得嵌入式微处理器测试基准协会技术中心的认证资格。协会明确规定了一整套认证必须满足的测量条件,从而确保得出一致、可靠并可以重复的测量结果。为得出统计学意义上的准确结果,采样频率必须是2倍以上尼奎斯特频率或者是一些随机数。EnergyBench采样模块接受采样频率输入,且该采样模块必须以不同的采样频率数次调用。在基准测试中以非伪频率多次采样所得到的采样点可以避免与基准执行频率发生共振现象。此法执行便利,且能确保得到统计学意义上的准确结果。

  由于可以轻易重复测量过程并加大采样频率,EnergyBench能耗基准可以尽可能多地搜集样本,直至能确定统计意义上精确的平均能耗为止。为获得认证资格,并协助器件和工具设计者更好地完成设计,EnergyBench测试过程一般会重复多次,并计算最终结果的标准误差。任何误差都可以轻易被发现,因为每项基准测试的每次运行均可得出一个基准每次迭代功耗的平均值。

  当然,以针对特定器件的任何测试为基础进行归纳的前提是该目标器件能代表厂家的生产水平,嵌入式微处理器测试基准协会一直定有严格的规则,防止厂家选择最好的产品送交认证检测。出于同样原因,过程变化是所有半导体厂家必须经常面对的一个问题,而EnergyBench众多目标中的一个是帮助厂商更深入地理解特定部件和过程变化的结果与能耗之间的关系。

  EnergyBench规定器件运行的环境温度为70°F +/- 5°F,并须至少进行30分钟预热。设定这样的基准条件非常重要,可以确保测试得出一致的结果。此外,事实表明能耗可随器件温度的升高而显著增加。由于我们量化评估的是基准测试情况下的一般功耗状况,因此可以对室内温度进行人为的控制。这样做还可以避免配备昂贵的器件来对处理器温度进行控制。

  EnergyBench与性能基准的融合

  要理解EnergyBench为何如此高效,就必须理解嵌入式微处理器基准协会的相关规则。协会规则遵循ANSI C标准,并由基准控制程序负责运行管理。调用所有系统时均需通过控制程序内置的一个抽象层,而不可直接调用。控制程序还负责初始化系统、准备必要的基准数据和设定基准运行的迭代数值。将协会基准移植到新的器件或操作系统上时,只需改变抽象层,即可运行所有嵌入式微处理器基准协会标准。为兼容EnergyBench基准,测试控制程序调用抽象层内置的特别触发机制,对功耗基准的定时部分进行显示。触发开关的问题是从软件发出触发信号到测量设备实际收到信号当中存在着一定的时滞。某些系统在触发时


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嵌入式? 处理器? 功耗?

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