原创 处理器存储器子系统中的SoC功耗优化设计

2009-8-15 08:54 1540 3 3 分类: MCU/ 嵌入式
在新的系统级芯片(SoC)设计中,尤其是对便携式设备而言,对整个系统功耗优化正变得与性能和面积优化同样重要。有些EDA工具具有门控时钟、降压、降频和减少漏电电流等功能,有些芯片制造商能够提供低功耗库和工艺,所有这些工艺都非常费时;在最好情况下能够提供两倍的性能提升,因为这些提升是在设计周期的后端进行的。


功耗优化的最佳时间是在设计周期的一开始进行,即在确定体系结构的系统级进行优化。确定系统级体系结构对功耗影响非常大,如局部存储器和高速缓存的数量和容量。在设计周期的一开始进行优化可以减少功耗十倍以上。


Tensilica公司的Xenergy是业界第一个用于评估功耗对整个处理器子系统(处理器、高速缓存和局部存储器)影响的软件工具,该工具基于在子系统上实际执行应用程序代码。这种在设计周期的一开始就进行功耗估计的方法只需要几分钟时间,而那种基于RTL的功耗分析方法则需要几个小时甚至几天。SoC体系结构设计人员可以使用这些数据对软件程序和Tensilica的Xtensa处理器进行功耗优化。对Tensilica公司的钻石标准处理器用户而言,该工具有助于软件优化,但钻石标准处理器不能改变。


处理器和存储器功耗优化


Xenergy工具包括一个二进制代码软件及相关信息,前者表示目标处理器,后者表示制造工艺及工作条件。Xenergy工具使用Tensilica的指令集仿真器ISS来执行二进制代码软件,其输出是一个处理器核及存储器功耗和能量报告,包括动态功耗、漏电功耗、全部功耗以及处理器核与紧密耦合的本地存储器功耗。设计人员可以修改程序软件或者Xtensa配置硬件来优化处理器功耗分布,并重新运行Xenergy工具。整个流程如图1所示。


设计人员可以使用Xenergy工具来执行两项基本任务。一是通过修改应用程序软件来减少存储器访问次数,进而减少处理器和存储器功耗;二是可以调整Xtensa可配置处理器及其相关存储器,这通过选择不同的配置选项,增加指令扩展、寄存器文件、新执行部件,并改变本地存储器和高速缓存的数量和容量。


考虑的焦点是整个系统的能量消耗,在有些情况下具有一定的欺骗性。整个系统的功耗是功耗系数(mW/MHz)和执行一定负载所需要的时钟周期数(毫秒)的乘积。如果一条新指令加到Xtensa可配置处理器后,虽然增加了功耗系数,但却减少了整个时钟周期数。例如,功耗系数增加20%,但导致程序执行速度提高3倍。在这种情况下,整个系统功耗实际上降低了60%。



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图1:Xenergy能量估计软件能够对运行在Tensilica Xtensa可配置处理器或者钻石标准处理器上的应用程序进行功耗评估。



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