基于嵌入式軟件系統電源能耗優(yōu)化的解決方案

開(kāi)發(fā)由電池供電的設備，尤其是對設備的待機或操作時(shí)間要求比較嚴格的系統，例如移動(dòng)電話(huà)，降低系統整體的能耗變得越來(lái)越重要。 因此采取全面的措施來(lái)降低電池能量的消耗是設計電池供電設備的重要部分。

典型的節能措施包括：

1 選擇有節能屬性的元件

2 提高系統集成度

3 調整CPU主頻

4 調整電源供給

5 選擇帶節能屬性的、高速緩沖存儲器和片上內存的微控制器

然而，只有通過(guò)軟件全程的控制各個(gè)消耗電池能量的組件，充分的發(fā)揮其硬件的節能屬性，才能達到最佳的節能效果。能耗是電流，電壓和時(shí)間的乘積，控制軟件對這幾個(gè)參數都有很大的影響。因此，軟件工程師需要經(jīng)常不斷的嘗試確定這三個(gè)參數在不同的操作模式下的最佳配置，以達到最佳的節能目的。例如工程師可能會(huì )問(wèn)自己如下的問(wèn)題：

1 微處理器是否工作在正確的節能模式

2 程序變更會(huì )如何影響系統的能耗

3 是否會(huì )出現任何未預料的能耗峰值

回答諸如此類(lèi)的問(wèn)題，需要一個(gè)測試裝置。該裝置需要可以測量、記錄和分析控制軟件的程序和數據流程，以及電流和電壓梯度。同時(shí)也可以以一種簡(jiǎn)單的方式把所有的記錄信息相互關(guān)聯(lián)起來(lái)。 在2007年嵌入式世界年會(huì )上，作為全球第一款嵌入式軟件能耗分析工具生產(chǎn)廠(chǎng)商，勞特巴赫展示了一個(gè)強有力且易用的解決方案成功的解決了上述的所有問(wèn)題。

技術(shù)要求：

為了可以定位出每行代碼的能耗量，需要收集如下的數據信息：

1 控制軟件的程序流，可以采用帶有實(shí)時(shí)跟蹤能力的調試器(PowerDebug)來(lái)采集該信息

2 程序運行時(shí)的電流和電壓梯度，帶有模擬/數字探頭的邏輯分析設備是比較適合此目的的測量設備。

有了這些數據，主要的任務(wù)就在于如何才能把程序流、電流和電壓梯度的信息關(guān)聯(lián)起來(lái)。但是如果使用來(lái)自不同設備生產(chǎn)廠(chǎng)商的設備，即使可以把相關(guān)信息關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)際操作也將是十分復雜的，綜合數據的分析和統計同樣也是相當困難。

勞特巴赫嵌入式軟件能耗分析技術(shù)的創(chuàng )新核心就是提供上述問(wèn)題的解決方案，并且開(kāi)發(fā)出了適當的，易用的信息顯示和分析方法。

解決方案：

勞特巴赫嵌入式軟件能耗測量方案，包括一個(gè)調試器模塊(PowerDebug)、實(shí)時(shí)跟蹤模塊(PowerTrace)和一個(gè)邏輯分析模塊(PowerIntergrator)，每個(gè)模塊都集成了一個(gè)精確的時(shí)間計數器，所有模塊的記數器在程序開(kāi)始時(shí)進(jìn)行同步。每個(gè)模塊的記錄都有對應時(shí)間戳，因此各個(gè)模塊的記錄都可以通過(guò)時(shí)間戳關(guān)聯(lián)起來(lái)。這樣，就可以確定每行代碼的能耗。

為了獲取電流和電壓梯度數據，TRACE32 PowerTrace II (跟蹤模塊) 或者 PowerIntegrator(邏輯分析模塊) 可以通過(guò)新型的Trace32 AnalogProbe 模塊擴展實(shí)現如下功能：

1 實(shí)時(shí)記錄4條電壓通道和3條電流通道信息

2 針對電流、電壓或能耗的限制值和測量范圍實(shí)時(shí)生成觸發(fā)事件

為了測量電流，在被測電路上需要一個(gè)分流電阻。該電阻上的壓降取決于電阻的大小和通過(guò)該電阻的電流。Trace32 AnalogProbe 可以測量/記錄分流電阻上的電壓值。這是一種種被許多*估平臺普遍采用和支持的測量方式。

電流、電壓和分流電阻阻值都可以通過(guò)如下用戶(hù)界面進(jìn)行控制。由電流和電壓計算得出的能耗也可以在該用戶(hù)窗口進(jìn)行控制，另外，用戶(hù)可以將電壓設置為固定值進(jìn)行計算。

電流，電壓和能耗可以以表格和基于時(shí)間的曲線(xiàn)圖表示出來(lái)。所有基于時(shí)間的信息(程序流，圖表，電流，電壓，能耗)都能通過(guò)跟蹤信息同步起來(lái)。如果在其中一個(gè)窗口中選中/標記某一位置，其他所有窗口都自動(dòng)的刷新窗口內容，相應時(shí)間位置信息也被選中/標記出來(lái)。

在如下實(shí)例中，8 LEDs 被依次點(diǎn)亮，然后產(chǎn)生一個(gè)正弦電壓。如下面的電流-時(shí)間曲線(xiàn)圖(1)繪制出了電流值隨時(shí)間變化的波形，正弦電壓曲線(xiàn)如圖(2)所示。如果在電流圖(1)、電壓圖(2)或程序流圖(3)中，用黑色的垂直跟蹤線(xiàn)選中/標記函數“LED3_on“，系統會(huì )自動(dòng)更新“Trace.List“窗口(4)中信息，顯示出相對應的記錄，并且就通過(guò)藍色水平條標記出來(lái)。

每次程序中止后，Trace32 軟件會(huì )自動(dòng)對記錄信息進(jìn)行統計分析，統計各個(gè)執行函數消耗能量的最小值，最大值和平均值。以及每個(gè)函數絕對能耗及其占總能耗的百分比。通過(guò)這些統計數據，可以方便地定位出耗能最大的程序代碼/函數。

數據統計分析可以顯示出每個(gè)函數運行時(shí)的耗能量。如下圖(5)可以清楚地看出函數“LED8_on“運行(所有LEDs都被點(diǎn)亮)時(shí)系統耗能量最大。

作為附加的功能，勞特巴赫還提供了觸發(fā)單元，可以通過(guò)定義電流、電壓或能量的限制值或范圍來(lái)定義觸發(fā)事件。這些觸發(fā)事件可以被觸發(fā)單元用來(lái)啟動(dòng)和中止跟蹤記錄(Selective trace)的控制，或者用這些觸發(fā)信號中止程序的運行。這樣工程師可以方便快速的定位出相關(guān)參數出現峰值的原因。

總結：

勞特巴赫完整的嵌入式軟件能耗分析測量方案為研發(fā)工程師檢測/定位程序代碼和系統電流/能耗之間的相互關(guān)系提供了一個(gè)強有力的、易用的工具。上述的新特性都已經(jīng)集成在當前的軟件環(huán)境中。相關(guān)的分析硬件也可以方便地在原有工具上通過(guò)擴展實(shí)現。同全球重要移動(dòng)電話(huà)生產(chǎn)廠(chǎng)商長(cháng)期緊密的合作，確保了勞特巴赫工具的實(shí)際應用效果。通過(guò)集成新的創(chuàng )新方案，勞特巴赫再一次在嵌入式處理器開(kāi)發(fā)工具領(lǐng)域證實(shí)了其創(chuàng )新能力。Trace32 AnalogProbe作為新型的解決方案擴展模塊，可集成于既有的勞特巴赫模塊化開(kāi)發(fā)工具的系統中，為客戶(hù)現有的TRACE32工具增添了新的價(jià)值。