ARM處理器的節能優(yōu)勢

       許多嵌入式ARM處理器的系統都是基于電池供電的能量供應方式，而處理器的功耗對于整個(gè)SoC芯片至關(guān)重要，因此ARM處理器的低功耗優(yōu)勢可以充分節省能量消耗?？傊?，當前的典型功耗的電流圖并不依賴(lài)于標準過(guò)程、標準集或工作負載。

        EnergyBench提供若干工具，這些工具可容易低與經(jīng)濟實(shí)用的硬件結合使用，以便使用E EM B C開(kāi)發(fā)的標準方法測量典型功耗。不過(guò)，除了處理器之外，具體芯片設計和集成到芯片內部的外圍模塊也是影響芯片功耗的重要因素。雖然許多芯片供應商都會(huì )在產(chǎn)品的datasheet中提供功耗參數，但是這些參數往往是不具可比性的。當設計者試圖對集成到SoC中的不同處理器進(jìn)行對比時(shí)，如果想要弄清楚處理器的真實(shí)功耗是怎樣的，將會(huì )變得非常困難。這是因為，供應商經(jīng)常使用典型功耗參數來(lái)描述他們的處理器，卻很少表明進(jìn)行這些測量時(shí)處理器的工作負載，而這將是決定能量和功率參數的關(guān)鍵因素。

        許多嵌入式ARM 處理器的系統都是采用電池供電的方式。因此，A R M 被公認為是處理器領(lǐng)域的“低功率領(lǐng)導者”。

        然而系統的功耗不僅僅取決于處理器，此外，具體芯片設計和集成到芯片內部的外圍模塊也將影響片上能量的消耗。

        雖然許多芯片供應商都會(huì )在產(chǎn)品的datasheet中提供功耗參數，但是這些參數往往是不具可比性的。這是因為，供應商經(jīng)常使用典型功耗參數來(lái)描述他們的處理器，卻很少表明進(jìn)行這些測量時(shí)處理器的工作負載。

        以前業(yè)界通常將關(guān)注的焦點(diǎn)放在處理器的性能方面，但是隨著(zhù)E EM B C等組織開(kāi)發(fā)出各種測試基準（諸如面向汽車(chē)、消費電子和網(wǎng)絡(luò )等應用領(lǐng)域的基準測試），我們可以更清楚的了解處理器內部的真實(shí)情況。隨著(zhù)功耗問(wèn)題正逐漸嵌入式應用中的關(guān)注焦點(diǎn)，因此在評價(jià)處理器時(shí)，必須將功耗作為與性能參數同等重要的指標。其最終目標是幫助系統設計人員在便攜式應用中得到性能和功率間的最佳平衡。

        E E M B C實(shí)現此目標的方法是開(kāi)發(fā)基準軟件實(shí)用工具Energy B ench，它可以在處理器實(shí)際工作負載時(shí)提供有關(guān)能量消耗的真實(shí)數據。設計人員可同時(shí)使用EnergyBench和EEMBC性能基準，以比較不同處理器在執行一系列標準化應用任務(wù)時(shí)的能量消耗效率。在使用EnergyBench查看單個(gè)設備的功耗時(shí)，顯然不存在所謂的“典型功率”，因為運行不同的E EM B C基準時(shí)，其平均功率有很大的變化。EnergyBench不能反映處理器的典型功率，但通過(guò)它可以在特定性能級別上得到某些特定算法或應用的典型功耗值。

        使用美國國家儀器公司（National Instruments）的LabVIEW平臺和數據采集（DAQ）卡，EEMBC已成功實(shí)現 EnergyBench。DAQ卡可提供多個(gè)差分測量通道，它們允許同時(shí)對多個(gè)電源輸入進(jìn)行功耗測量（每次測量都需要捕獲電壓和電流）和一個(gè)觸發(fā)器通道。任何A R M處理器或使用評估板或自己硬件平臺的供應商，只需修改其板級電路以實(shí)現電源輸入線(xiàn)的可測量和添加分流電阻器。

       EnergyBench就可以使用DAQ卡對電壓和觸發(fā)器通道進(jìn)行采樣并將所有采樣結果寫(xiě)入文件。靈活的觸發(fā)機制可實(shí)現性能基準測試與功率測量的同步進(jìn)行。這確保了測量所得的代表的是基準代碼運行時(shí)的功耗，而不包括基準初始化或保留記錄階段中的功耗。

       在運行基準測試和功耗采樣時(shí)，必須確保結果的可靠性、可重復性和一致性，這對該標準的普及顯得尤其重要。EnergyBench通過(guò)多種方法來(lái)確保這些目標的實(shí)現：

      1. 可靠性：

       通常情況下，為獲得精確的統計結果，必須以2 X N y q u i s t頻率或更高頻率進(jìn)行采樣，或者在隨機點(diǎn)上采樣。

       EnergyBench采樣模塊接受將采樣頻率作為輸入，然后必須使用不同的采樣頻率多次調用模塊?；鶞蔬\行期間使用未混淆頻率進(jìn)行多次采樣所生成的采樣點(diǎn)可避免與基準執行產(chǎn)生任何共振。換句話(huà)說(shuō)，假設每個(gè)基準的重復測試大致上都發(fā)生在周期性的間隔內，使用未與周期混淆的頻率可確保在每次重復中進(jìn)行偽隨機點(diǎn)采樣。該方法易于實(shí)現，并可保證統計結果的精確性。使用這種靈活的方法可輕松檢測與基準周期混淆的頻率，因為這將在其中一個(gè)采樣頻率中導致不同的結果。如果檢測到這種情況，會(huì )選擇一組新的未混淆頻率并進(jìn)行測試，直至得到有效結果。

       2. 一致性：

       因為我們可以根據需要多次重復測試和任意提高采樣頻率，所以EnergyBench會(huì )進(jìn)行多次采樣，直到可以通過(guò)精確的統計數據得到平均功耗。如果每次重復的值偏差太大，則可以通過(guò)提高采樣頻率以增加精確性并降低偏差。

       3. 可重復性：

       測量過(guò)程重復多次以保證測量準確性，并計算最終結果的標準偏差。還可以很容易得到任何的檢測偏差，因為每次運行每個(gè)基準都產(chǎn)生基準每次重復的平均耗電量。當然，如果假定供應商提供的目標器件是具有普遍性的，那么對該器件進(jìn)行測試而得到結果就認為是可信的。同時(shí)EEMB一直都有非常嚴格的認證程序，以保證所選中的被測芯片具有代表性。

       基于同樣的原因，針對生產(chǎn)制造過(guò)程中出現任何細小偏差的潛在可能性，所有半導體制造商都應該事先有所考慮，而EnergyBench面向眾多潛在應用的測試，恰恰可以幫助制造商深入了解如何選擇測試芯片和測試，因為這些都會(huì )最終影響功耗測試結果。

       在某個(gè)基準運行完多次重復測試，并捕獲所有測量采樣數據后，分析模塊會(huì )根據這些數據計算出進(jìn)行該基準測試的平均功耗。根據平均功耗值，E E M B C功率分析模塊通過(guò)分析每次測試捕獲的樣本，尋找數據樣本中的最小值和最大值。

       如果特定采樣頻率的變動(dòng)太大，用戶(hù)可提高頻率和/或基準重復次數，直至上述采樣數據足夠穩定，這樣平均值的置信區間在落在指定公差（95%）范圍內，從而保證所得數據的準確性。

       EnergyBench測試的最終結果是芯片在運行某個(gè)基準測試時(shí)的平均功耗值。

       EEMBC 認證的 EnergymarkTM測試結果作為一個(gè)可選參數，芯片制造商可選擇將它與芯片性能參數一起提供給客戶(hù)，作為表明處理器電量消耗的參考。

       EnergyBench規范規定器件的準備時(shí)間至少30分鐘，環(huán)境溫度為70°F+/-5°F。

       這些基本條件對于確保結果的一致性非常重要。因為有證據表明隨著(zhù)器件溫度的升高，其功耗也會(huì )隨之升高。

       D A Q卡允許且E n e rg y B e n c h規范也要求測量處理器上的所有power rail。顯然地，對于那些引腳數量有限的低端A R M b a s e d器件而言，能測量的power rail很少。具有多電源輸入的高端ARM based器件則必須進(jìn)行多次運行基準，以便捕獲完整的處理器功耗數據。EnergyBench的Test Harness中包括多個(gè)可執行文件，可同時(shí)測量一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)power rail。對于使用多個(gè)power rail（即內核電源和I/O電源）實(shí)現的處理器，可通過(guò)兩種方法計算基準每次重復測試的功耗。在第一種方法中，EnergyBench使用DAQ卡最多可同時(shí)測量三個(gè)p owerrail。但使用此方法時(shí)，因為所有通道都必須使用相同的采樣率，所以可能需要降低D A Q卡的采樣率，以便主機能夠跟得上采樣過(guò)程（這是因為同時(shí)輸入數據過(guò)多）。另外，也可以單獨測量power rail，每個(gè)power rail功耗值的總和即為累積功耗總值。

       究竟選用哪種方法呢？

       首先，有些處理器的power rail數量超過(guò)三個(gè)。即使同時(shí)測量了三個(gè)power rail，但仍然有必要對某個(gè)power rail進(jìn)行單獨測量，或考慮在更多輸入通道上使用DAQ卡。

        此外，采樣頻率應該與處理器的操作頻率成比例，以確保每個(gè)基準在重復測試時(shí)采樣到數據足夠充足。為了容納G H z級處理器，可能需要較高的采樣率，以便主機一次只測試一個(gè)power rail。

       為深入了解該方法，我們考慮到許多替代方案。如指定功耗測量時(shí)的連接溫度以及使用高頻示波器和高可控測試環(huán)境。但是，由于我們并非為了描述芯片特征本身，而是為了確定典型功耗，所以我們決定使用可用硬件和控制環(huán)境溫度，而不是連接或某個(gè)案例的溫度。另一個(gè)問(wèn)題是功耗測量需要面向從低至5MHz微控制器到高至當今市場(chǎng)上速度最快的處理器等目標器件。因此還必需考慮能夠在多處重復該測量而不是在某種特定環(huán)境下，并對結果進(jìn)行獨立驗證。使用可編程DAQ，我們可以輕松指定參數（如采樣頻率），然后永久保留捕獲的所有數據。

       總之，當前的典型功耗的電流圖并不依賴(lài)于標準過(guò)程、標準集或工作負載。
      

       EnergyBench提供若干工具，這些工具可容易低與經(jīng)濟實(shí)用的硬件結合使用，以便使用E EM B C開(kāi)發(fā)的標準方法測量典型功耗。