微處理器功耗性能的測試標準

隨著(zhù)嵌入式系統在消費電子和工業(yè)設備中的廣泛應用，功耗已經(jīng)開(kāi)始像時(shí)鐘速度和系統性能一樣成為微處理器的一個(gè)核心特性。為了確定各種微處理器的功耗效率，嵌入式微處理器基準協(xié)會(huì )開(kāi)發(fā)了一個(gè)有力的工具DDEnergyBench。

同協(xié)會(huì )的其他性能benchmark一起使用，EnergyBench可以測試處理器在進(jìn)行一系列標準應用任務(wù)時(shí)的功耗大小。有了這樣一個(gè)同性能測試緊密聯(lián)系的功耗標準測度，設計工程師就能比較多個(gè)供應商提供的微處理器的性能/功耗，從而選擇一款最適合自己應用的產(chǎn)品。

測試方法

EnergyBench采用National Instruments公司的一個(gè)8通道的數據采集卡和LabVIEW軟件?？梢灾С秩齻€(gè)能量(電壓和電流)測試加上一個(gè)觸發(fā)通道，數據采集卡對觸發(fā)通道和電壓一起采樣，并且把結果輸出到一個(gè)文件里。靈活的觸發(fā)機制可以將功耗測試同性能benchmark同步，這一點(diǎn)可以保證功耗測試是在benchmark代碼的同步部分內進(jìn)行，從而避免將benchmark初始化階段的功耗包括進(jìn)去。LabVIEW采樣程序接受一個(gè)配置文件，它可以通過(guò)為觸發(fā)探測和電壓電流通道一起指定電

壓來(lái)定義觸發(fā)機制。

一個(gè)benchmark要稱(chēng)得上標準化，它的結果必須是可靠的、可重復的，并且是一致的。EnergyBench采用幾種方法來(lái)達到統計學(xué)上的精確結果。

作為一個(gè)規則，采樣模塊必須使用不同的采樣頻率調用數次。一般的，為了得到精確的結果，采樣頻率必須是2倍以上Nyquist頻率或者是一些隨機數。偽隨機方法是benchmark以一個(gè)與benchmark執行頻率無(wú)關(guān)的頻率運行時(shí)進(jìn)行多次取樣。假定benchmark的每個(gè)遍歷(iteration)以周期性的時(shí)間間隔出現，那么錯開(kāi)這個(gè)周期來(lái)取樣就可以保證每個(gè)遍歷(iteration)內在偽隨機點(diǎn)時(shí)取樣。這種方法可以簡(jiǎn)單地實(shí)現和保證統計上的精確結果。一旦所有的測試取樣都已完成，分析模塊將開(kāi)始計算benchmark的每個(gè)遍歷(iteration)上消耗的能量的平均值。嵌入式微處理器基準協(xié)會(huì )的功耗分析模塊分析這些采樣，決定每個(gè)遍歷(iteration)所使用的能量，找出最大值和最小值。

對于某個(gè)特定的采樣頻率，如果測試值變化太大，用戶(hù)可以增大采樣頻率和/或遍歷(iteration)次數，直到有足夠的采樣，以便滿(mǎn)足平均值誤差在規定的5%之內。EnergyBench測試的最終結果是工作量一次遍歷(iteration)上消耗的能量的平均值，該工作量是指在目標器件上運行benchmark時(shí)的工作量，該過(guò)程如圖1所示。

圖1 EnergyBench的數據給出了評估處理器功耗效率的基礎

結果在功率分析模塊中以energy/iteration表顯示，圖1中同時(shí)顯示了分析的遍歷(iteration)次數。用戶(hù)也可以使用EEMBC測試套件來(lái)測試最大和最小功耗。

測試條件

EnergyBench規定，器件測試時(shí)，至少預熱30分鐘，器件周?chē)沫h(huán)境溫度為70°F±5°F，這些規定可以保證測試結果的一致性，因為器件溫度升高時(shí)，其功耗也會(huì )顯著(zhù)增加。

EnergyBench的規定中還要求處理器上的所有功率軌(power rail)都要測試，對于有超過(guò)1個(gè)功率軌(power rail)(如核心功率和I/0功率)的處理器，有兩種方法來(lái)計算benchmark的每個(gè)遍歷(iteration)的功耗。使用數據采集卡，EnergyBench可以同時(shí)測試最多3個(gè)rail，在這種方法中，所有通道都以同樣速率采樣，因此，數據采集卡的采樣率可能需要降低，以便主機的處理能力與采樣率相匹配。另一種方法，是采取分別測試各個(gè)rail，將每個(gè)rail消耗的能量之和作為整個(gè)功耗。該如何決定采用哪種測試方法呢?首先，一些處理器有超過(guò)3個(gè)功率軌(power rail)，在這種情況下，即使三個(gè)rail同時(shí)測試，但個(gè)別rail還是需要單獨測試。另外，要根據處理器的工作頻率選擇合適的采樣率，以便允許有足夠的采樣。為了滿(mǎn)足幾GHz的處理器，采樣率一般會(huì )非常高，以致主機因為無(wú)法跟得上這么快的速度而一次只能進(jìn)行一個(gè)rail的測試。