EnergyBench 評估嵌入式處理器功耗的工具

　　通過操作系統(tǒng)驅(qū)動器將信號發(fā)送至通用異步收發(fā)傳輸器（UART）。為解決觸發(fā)時滯問題，控制程序內(nèi)置的抽象層允許在發(fā)出觸發(fā)信號后及功耗基準(zhǔn)開始執(zhí)行前設(shè)置一定的延遲?？紤]到結(jié)束基準(zhǔn)測試的時滯，分析模塊允許在特定的迭代數(shù)中進(jìn)行限制分析。

　　EnergyBench的采樣、分析和數(shù)據(jù)搜集方式

　　EnergyBench采用由LabVIEW軟件平臺創(chuàng)建的采樣模塊獲取功耗信息，對定義觸發(fā)方式和預(yù)期電壓范圍的配置文件進(jìn)行讀取。該采樣模塊連接到數(shù)據(jù)采集卡，在運行基準(zhǔn)測試的同時采集電壓及電流信息。所采信息在收到開始信號后即行寫入磁盤，收到結(jié)束信號后停止。為減少可能發(fā)生的用戶錯誤，該程序提供統(tǒng)一的用戶界面，如圖1所示。而數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）也提供了經(jīng)濟實用的HW平臺，以采集必要的數(shù)據(jù)。

　　圖1 EnergyBench采樣模塊通過友好的圖形用戶界面（GUI）或配置文件進(jìn)行設(shè)置。所有相關(guān)參數(shù)如電壓、電阻和采樣頻率均可進(jìn)行設(shè)置。通過采集信號的可選圖形對電流、電壓和觸發(fā)通道進(jìn)行顯示。

　　美國國家儀器有限公司與DAQMx驅(qū)動兼容的數(shù)據(jù)采集卡均可使用。數(shù)據(jù)采集卡缺省要求，同時EnergyBench規(guī)則也規(guī)定須測量微處理器所有功率軌的功耗狀況。EnergyBench含有可執(zhí)行程序，可以同時測量一條、兩條或三條功率軌的功耗狀況。對于有不止一條功率軌（即堆芯功率和輸入/輸出功率）的微處理器來講，可以采用兩種方法計算出基準(zhǔn)程序每次迭代的功耗。第一種方法，EnergyBench使用數(shù)據(jù)采集卡同時測量三條功率軌的功耗狀況，也就是說所有通道都以相同的速率進(jìn)行采樣，因此可能需要降低數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率，以匹配主機的采樣能力。此外，由于確保測量結(jié)果可以重復(fù)，因此可以分別對功率軌進(jìn)行測量，這種情況下各功率軌的平均功耗之和即等于累計總能耗量。

　　對捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是EnergyBench的最后一步。用于數(shù)據(jù)分析的微軟程序名叫功耗分析模塊。分析過程中需要計算以下數(shù)值：

　　1. 各功率軌的最低、最高、平均功率及標(biāo)準(zhǔn)誤差狀況。

　　2. 總功率的幾何平均數(shù)

　　3. 基準(zhǔn)程序每次迭代功耗的最低、最高、平均功率及標(biāo)準(zhǔn)誤差大小。

　　基準(zhǔn)程序經(jīng)多次迭代獲取測量樣本后，分析模塊即開始分析，尋找其中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。嵌入式微處理器測試基準(zhǔn)協(xié)會功耗分析模塊分析捕獲的樣本，確定基準(zhǔn)程序每次迭代的平均功耗，找到最低和最高功耗樣本。計算功耗須先計算基準(zhǔn)程序每次迭代功耗樣本的幾何平均值，并乘以迭代時間得出最后的結(jié)果。某些情況下，可能會出現(xiàn)基準(zhǔn)程序迭代過速，以致于功耗樣本的出現(xiàn)趕不上基準(zhǔn)程序迭代的速度。在這種情況下，必須先分析至少100個樣本，再計算該段時間內(nèi)所有迭代的平均能耗。

　　功耗分析模塊的能耗/迭代表以圖表形式顯示結(jié)果。用戶也可利用協(xié)會設(shè)置在基準(zhǔn)程序運行時查看最低和最高功耗，了解所獲樣本的變化狀況。

　　EnergyBench測試的最終結(jié)果是負(fù)載迭代的平均功耗。經(jīng)嵌入式微處理器測試基準(zhǔn)協(xié)會認(rèn)證的Energymark?分?jǐn)?shù)是供制造廠商選擇的一種衡量標(biāo)準(zhǔn)，廠家可以與認(rèn)證的性能得分一道向客戶提供，以顯示處理器功耗效率的大小。

　　可靠性驗證須測試下列數(shù)值：

　　1. 特定采樣頻率區(qū)間內(nèi)的變化（置信區(qū)間須達(dá)到95%）

　　2. 頻率間報告能耗的變化

　　3. 反復(fù)調(diào)用基準(zhǔn)程序時報告能耗的變化

　　如果特定采樣頻率區(qū)間內(nèi)變化過大，用戶可以加大頻率和/或基準(zhǔn)程序迭代數(shù)，直至采集到足夠的樣本，以使平均值的置信區(qū)間達(dá)到規(guī)定的95%。

　　如果兩采樣頻率之間變化過大，可以改變采樣頻率。

　　如果各次調(diào)用結(jié)果相差過大，可能由于線路噪音過大，需要采取減噪措施。另外一種可能是在基準(zhǔn)程序運行時處理器在大部分時間內(nèi)還在執(zhí)行除基準(zhǔn)程序以外的其他任務(wù)，在這種情況下則需要更好地實現(xiàn)基準(zhǔn)程序與其他任務(wù)的分離。本過程原理如圖2所示。

　　　　　　　圖2 本過程在特定基準(zhǔn)及該基準(zhǔn)的特定負(fù)載與典型能耗之間建立了聯(lián)系

　　可編程數(shù)據(jù)采集卡能輕易地確定采樣頻率等參數(shù)，同時將獲取數(shù)據(jù)永久保留。圖3是此方法幕后運行的代碼樣本。此代碼以LabVIEW軟件編寫，可以持續(xù)將獲取的樣本寫入文件，直至從觸發(fā)通道收到配置信號。代碼還配備了顯示所有捕獲信號選項，實際上是驅(qū)動圖1圖形用戶界面的部分代碼。電壓、電阻和采樣頻率等所有相關(guān)參數(shù)均可進(jìn)行配置。具體地講，圖1顯示的是當(dāng)該循環(huán)收到觸發(fā)信號、并準(zhǔn)備退出時的圖形用戶界面狀態(tài)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 采樣循環(huán)的數(shù)據(jù)采集卡代碼

　　EnergyBench背后的選擇為加深對測試方法的理解，嵌入式微處理器基準(zhǔn)協(xié)會也考慮過許多替代選項，包括：

　　? 規(guī)定能耗測量的結(jié)溫度。

　　? 采用高頻范圍并對環(huán)境嚴(yán)格控制。

　　? 指定探測和校驗技術(shù)。

　　但由于目的不是定性部件，而是要確定一種推導(dǎo)典型能耗的標(biāo)準(zhǔn)方法，因此找到一種采用現(xiàn)有經(jīng)濟實用硬件的方法更為重要。EnergyBench通過統(tǒng)計分析和規(guī)則進(jìn)行驗證，無需昂貴設(shè)備和工廠化流程。驗證過程只需控制室溫而無需測量結(jié)溫和外殼溫度， 而控制室溫在任何實驗室或大學(xué)均可做到。驗證過程只需用到簡單的數(shù)據(jù)采集卡而非昂貴的分析軟件，在規(guī)定結(jié)果誤差的情況下以不同頻率多次運行能夠確保驗證結(jié)果可靠且可以重復(fù)。

　　另外一個問題是驗證過程需要從5MHZ微控制器推導(dǎo)出目前市場上速度最快的處理器狀況。同樣需要關(guān)注的還有確保能在不同測試地點重復(fù)驗證過程以獨立認(rèn)證結(jié)果。

　　采樣結(jié)果

　　上表所示的是對外公開的認(rèn)證信息。以上兩個硬件平臺上兩套基準(zhǔn)程序的采樣信息顯示，若運行不同的平臺和基準(zhǔn)程序，即便平均功耗的浮動幅度也可以高達(dá)8%（相對于這些基準(zhǔn)程序）而完成某項特定任務(wù)時測定的功耗效率在平均功耗相似（即便AMD和IBM平臺的平均功率均為2.3W上下，但AMD平臺的RGB 到Y(jié)IQ為2.8e-2，而IBM平臺則為1.6e-2）的情況下也可以出現(xiàn)很大變化。

　　同樣有趣的是研究在不同性能點運行軟件平臺及開啟或關(guān)閉不同功能時處理器的能耗情況。圖4顯示的在開啟或關(guān)閉緩存和浮點硬件的情況下，在NXP 3180的不同性能點運行特定基準(zhǔn)程序（基本浮點控制）的能耗結(jié)果。該表明確顯示開啟浮點硬件并以208MHz頻率運行比以13MHz頻率運行能效更高。

　　　　　　　　　圖4 不同配置下NXP 3180的能耗結(jié)果

　　結(jié)論

　　EnergyBench利用嵌入式微處理器測試基準(zhǔn)協(xié)會開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)方法，提供了可與價格合理的現(xiàn)有硬件配套使用的測量典型能耗的若干工具。EnergyBench是該領(lǐng)域首個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，雖然標(biāo)準(zhǔn)性能評估公司（SPEC）等其他機構(gòu)也在制定政策解決上述問題。可以登陸嵌入式微處理器測試基準(zhǔn)協(xié)會網(wǎng)站（www.eembc.org），免費查詢經(jīng)過認(rèn)證的EnergyBench測試結(jié)果。