基于仿真的能量最小化探索

王國富

摘 要：文章介紹了用仿真來優化系統的方法。以對芯片的能量消耗最小化為實例，并使用實驗步驟和實驗結果來說明使用仿真來優化系統的方法。

關鍵詞：MPSoC；仿真；能耗最小化

引言

文章介紹如何運用仿真的方法來自定義硬件平臺以使系統的能量消耗達到優化。文章使用GSM編解碼器軟件來作為一個例子，并將使用一個由幾個ARM處理器內核、專用和共享內存以及通過AMBA總線互連所組成的多處理器系統。文章將詳細介紹所使用的硬件平臺和設計方案，并給出實驗比較結果。

1 多處理器 ARM 平臺介紹

多處理器片上系統（MPSoC）是使用多個CPU及其他硬件子系統來實現的系統。文中所使用的硬件平臺的架構是一個分布式多處理器片上系統（MPSoC）的通用模板。如圖1所示，該平臺包含多個計算內核、一個AMBA AHB兼容的通信總線、專用內存（每個處理器有一個）和處理器間通信的共享內存。

圖1

2 基于仿真的優化探索

仿真平臺的優點在于它可以在設計流程的早期發揮作用。傳統模式上， 最終的驗證是在設計流程結束時進行，這時第一個產品原型已經產生了。所以為了獲得正確的而有效的產品，系統模型必須是非常準確的。如果在早期設計階段就可以對目標硬件平臺進行一個周期的精確仿真，系統模型可能因這次仿真而被修改甚至于舍棄。使用這種方式，我們就可以使用速度較慢的仿真來獲得的準確性。

3 能量最小化

我們的目標是優化一個GSM編解碼器的應用程序。應用程序將在一個具有ARM7處理器的MPARM平臺上運行。參數高速緩存的大小、高速緩存相關性和處理器的頻率是可變的。

處理器的頻率是一個關鍵參數，它影響應用程序的速度和功率消耗。功耗與頻率及電源電壓的平方成正比[2]：P=CV2f

在大多數系統中，選擇一個較低的頻率意味著使用較低的電源電壓。這樣處理器所消耗的功率就會以立方進行減少。其實，對于電池供電的系統，大家對能量消耗更有興趣。能量的公式定義如下：

這里，t 為每秒的運行時間， NC 為時鐘周期數來表示的運行時間。從這個公式中我們看出，如果我們只是減少頻率而使電壓保持不變，雖然功耗呈線性減少，但是能量的消耗是不變的。

4 實驗結果分析

第一步，我們設置的緩存類型是指令緩存，關聯性是直接映射的。然后我們來改變緩存的大小，能量如下表：

第二步，我們設置的緩存類型是指令緩存，關聯性是K-路組關聯。然后我們來改變緩存的大小，能量如下表：

第三步，我們設置的緩存類型是數據緩存，關聯性是直接映射的。然后我們來改變緩存的大小，能量如下表。

第四步，我們設置的緩存類型是數據緩存，關聯性是K-路組關聯。然后我們來改變緩存的大小，能量如下表。

根據上面的實驗數據，我們把指令緩存和數據緩存的最小能耗結合起來。

總能量為：29591216.93 [pJ] typ

第五步，我們改變頻率 f 的值：

所以最佳設置是：

5 結束語

文章通過上面的實驗展示了使用仿真來對芯片進行優化的方法。按照相同的思路，還可對其它性能進行優化。

參考文獻

[1]Wolf，W.Georgia Inst.of Technol.，Atlanta，GA；Jerraya，A.A.artin，G. Multiprocessor System-on-Chip（MPSoC）Technology.Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，IEEE Transactions on（Volume：27 Issue：10）.

[2]CPU power dissipation.http：//en.wikipedia.org/wiki/CPU_power_dissi

pation. Wikipedia.