早期系統設計中的功耗建模和估計

隨著 SoC 設計復雜性的增加，系統級功耗估算正成為一個關鍵因素。這個由兩部分組成的系列的第一部分解釋了為什么會出現這種情況，并介紹了一個用于評估子系統、芯片和整個系統的功耗的綜合建模平臺。

隨著應用程序可擴展性的提高，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，設計工程師一直使用電子表格來估算系統級功耗。

這種方法非常耗時且容易出錯，尤其是在使用復雜的 SoC 和復雜的電源管理技術時。必須在每個抽象級別以高精度執(zhí)行功耗分析，以便對設計的功耗和功耗優(yōu)化的效果充滿信心。

例如，確定架構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械外殼相互作用。需要早期反饋以了解系統的限制和要求，以及系統的可擴展性如何影響功率是您系統未來的主要因素。

吞吐量分析是不夠的。有必要在設計的早期階段了解功率。

功率測量的綜合建模

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

專門針對本文的目的，VisualSim 電源建模工具包提供了一個系統級電源探索解決方案，該解決方案可以捕獲系統或半導體中能量的產生、存儲和消耗。它甚至可以通過捕獲設備的狀態(tài)變化來計算動態(tài)功率。

分層功率分析允許通過三個獨特的功率建模模塊從芯片級到物聯網系統網絡進行功率建模。

能量收集器塊：

提供一種方便的方式來模擬基于電機的電力采集器

支持不同的基于時間的機制，例如風力渦輪機

可直接連接到電池充電設備

功率表：

研究和建模電力基礎設施

確定資源操作的功耗

支持優(yōu)化電源管理算法的設計

簡化了為電池供電設備選擇合適的電池配置

電源管理器塊：

與每個具有電源功能的 IP 塊就其運行狀態(tài)進行通信

可以定義提供自定義功耗統計的模塊

支持用戶可指定的電源門控機制

可以捕捉瞬時功率變化

VisualSim 會考慮設備的活動和狀態(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、不同任務的不同功率水平以及不同的發(fā)電過程。

發(fā)電和電池模型

VisualSim 提供多種發(fā)電模塊。VisualSim 包含當前市場上的許多設備的電源數據，這可以節(jié)省用戶的時間和精力，但您也可以輸入現有系統電源配置文件的跟蹤并在平臺內對其進行調試。

還包括各種電池模型，這些模型超越了基于系統請求的充電和放電仿真。電池模型包含外部沖擊和熱活動、充電/放電循環(huán)次數及其速率、電涌次數，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)化這些系統架構參數。

功率表

電源表與電池和能量收集器一起工作，以測量實驗性電源管理算法及其對功耗的潛在影響。與 VisualSim 的其余部分一樣，它可以適應動態(tài)狀態(tài)變化、設備內的不同狀態(tài)持續(xù)時間，并與模型的時序一起工作（盡管它確實引入了與狀態(tài)之間的轉換時間相關的延遲）。

自定義塊

自定義塊可以是具有多個狀態(tài)的單個實例。使用電源更新 RegEx 更改電源狀態(tài)。

自定義設備也可以是單個設備中具有多個相同實例的塊。PCIe 中的根復合體端口就是一個很好的例子。此處，端口的通道數不同，不同通道數的功率將是自定義狀態(tài)列 Active_4、Active_8 等，其中每個端口是一個隊列號。

當每個端口接收到一個請求時，它可以作為 PCIe 的一個實例添加到 Power Table 隊列中。這是使用 powerUpdateN RegEx 運算符完成的。

圖 1. 功率表配置。

如圖 1 所示，功率表模塊的參數分為三個主要區(qū)域。

Manager Set-Up 維護以下屬性的列表：

設備名稱：維護功率表中所有設備的列表

電源狀態(tài)：列出并顯示所有不同類型的狀態(tài)

狀態(tài)轉換：根據正在線程化的任務類型跟蹤活動和非活動狀態(tài)。

Exist： 給出設備的當前狀態(tài)。

Async-State-Change 包含一個“時間狀態(tài)”，它顯示狀態(tài)應該改變之前的時間段，可以根據需要進行設置。

表達式列表允許設計人員實現有關功率值和狀態(tài)變化的不同邏輯。它還支持表達式列表塊的邏輯和正則表達式。表達式必須是單行并以“;”結尾。

邁向真實世界的功率分析

如前所述，VisualSim 建模和仿真環(huán)境配備了準確確定從 IP 塊到復雜的多設備部署的系統功率分布所需的所有功能。為了證明其在行動中的價值，早期系統設計中的功耗建模和估計的第二部分 將展示該工具在多個研究場景中的表現，包括：

抵消并發(fā)任務

比較以 1 GHz 運行的單核與以 250 MHz 運行的四核

動態(tài)電壓頻率縮放 （DVFS）

電源門控

這些場景在四核處理器上執(zhí)行，該處理器使用調度程序執(zhí)行四個并發(fā)線程和中斷。

審核編輯：郭婷