隨著SoC設計復雜性的增加，系統(tǒng)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文章的第一部分解釋了為什么會出現(xiàn)這種情況，并介紹了一個全面的建模平臺，用于評估子系統(tǒng)、芯片和整個系統(tǒng)的功耗。

隨著應用程序可擴展性的增加，在許多情況下，低功耗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(tǒng)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。為了了解系統(tǒng)的局限性和要求，需要早期反饋，以及系統(tǒng)的可擴展性如何影響電源是系統(tǒng)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

VisualSim提出了一種新的方法，可提供早期功耗估算，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功耗曲線。VisualSim 是一款基于模型的系統(tǒng)仿真軟件，它使用基于組件的建模方法加速開發(fā)，并提供大量報告組合。該系統(tǒng)可以是處理器、SoC、自動駕駛輔助系統(tǒng)、飛行航空電子控制器或冒險相機。建模組件可以是資源、FPGA、分立元件、電氣系統(tǒng)、MEMS、處理器、基于分布的流量生成器、硬件外設或軟件圖。借助 VisualSim，可以分析和建模發(fā)電、存儲、消耗和管理，以及它對系統(tǒng)、子系統(tǒng)和芯片級別的影響。

具體而言，VisualSim 電源建模工具包提供了一個系統(tǒng)級電源探索解決方案，用于捕獲系統(tǒng)或半導體中能量的產(chǎn)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。

分層功耗分析允許通過三個獨特的功耗建模模塊從芯片級到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡的功耗建模。

能量收集器塊：

提供一種方便的方式來模擬基于電機的功率收集器

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

電源表：

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

簡化電池供電設備選擇合適的電池配置

電源管理器塊：

與具有電源功能的每個 IP 塊通信，了解其運行狀態(tài)

可以定義提供自定義功耗統(tǒng)計信息的模塊

支持用戶指定的功率門控機制

可以捕獲瞬時功率變化

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。它還跟蹤每個狀態(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提供各種發(fā)電模塊。VisualSim 包括目前市場上許多設備的電源數(shù)據(jù)，這節(jié)省了用戶的時間和精力，但您也可以輸入現(xiàn)有系統(tǒng)電源配置文件的跟蹤并在平臺內(nèi)對其進行調(diào)試。

還包括各種電池型號，這些型號超越了基于系統(tǒng)請求的充電和放電仿真。電池模型包括外部沖擊和熱活動、充電/放電循環(huán)次數(shù)及其速率、電涌次數(shù)，以及所有這些如何影響電池壽命和最大電量。

然后可以使用 VisualSim 電源表優(yōu)化這些系統(tǒng)架構參數(shù)。

電源表

功率表與電池和能量收集器配合使用，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(nèi)的不同狀態(tài)持續(xù)時間，并與模型的計時配合使用（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

The custom block can be a single instance with multiple states. Power states are changed using the power update RegEx.

自定義設備也可以是單個設備中具有多個相同實例的塊。一個很好的例子是 PCIe 中的根復合體端口。在這里，端口在通道數(shù)上有所不同，不同通道計數(shù)的功率將是自定義狀態(tài)列Active_4、Active_8等，其中每個端口都是一個隊列號。

當每個端口收到請求時，可以將其作為 PCIe 的實例添加到 Power Table 隊列中。這是使用 powerUpdateN RegEx 運算符完成的。

圖1.電源表配置。

如圖 1 所示，電源表模塊的參數(shù)分為三個主要區(qū)域。

管理器設置維護以下屬性的列表：

設備名稱：維護電源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(jù)線程化的任務類型跟蹤活動和非活動狀態(tài)。

存在：提供設備的當前狀態(tài)。

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

表達式列表允許設計人員實現(xiàn)有關功率值和狀態(tài)更改的不同邏輯。它還支持表達式列表塊的邏輯和正則表達式。表達式必須是單行的，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)境具備準確確定系統(tǒng)功耗分布（從 IP 模塊到復雜的多設備部署）所需的所有功能。為了證明其實際價值，早期系統(tǒng)設計中的功耗建模和估計的第二部分將演示該工具在多個研究場景中的性能，包括：

偏移并發(fā)任務

比較運行頻率為 1 GHz 的單核與運行頻率為 250 MHz 的四核

動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié) （DVFS）

功率門控

這些方案在四核處理器上執(zhí)行，該處理器使用調(diào)度程序執(zhí)行四個并發(fā)線程和中斷。

審核編輯：郭婷