基于仿真的能量最小化探索

王国富

摘 要：文章介绍了用仿真来优化系统的方法。以对芯片的能量消耗最小化为实例，并使用实验步骤和实验结果来说明使用仿真来优化系统的方法。

关键词：MPSoC；仿真；能耗最小化

引言

文章介绍如何运用仿真的方法来自定义硬件平台以使系统的能量消耗达到优化。文章使用GSM编解码器软件来作为一个例子，并将使用一个由几个ARM处理器内核、专用和共享内存以及通过AMBA总线互连所组成的多处理器系统。文章将详细介绍所使用的硬件平台和设计方案，并给出实验比较结果。

1 多处理器 ARM 平台介绍

多处理器片上系统（MPSoC）是使用多个CPU及其他硬件子系统来实现的系统。文中所使用的硬件平台的架构是一个分布式多处理器片上系统（MPSoC）的通用模板。如图1所示，该平台包含多个计算内核、一个AMBA AHB兼容的通信总线、专用内存（每个处理器有一个）和处理器间通信的共享内存。

图1

2 基于仿真的优化探索

仿真平台的优点在于它可以在设计流程的早期发挥作用。传统模式上， 最终的验证是在设计流程结束时进行，这时第一个产品原型已经产生了。所以为了获得正确的而有效的产品，系统模型必须是非常准确的。如果在早期设计阶段就可以对目标硬件平台进行一个周期的精确仿真，系统模型可能因这次仿真而被修改甚至于舍弃。使用这种方式，我们就可以使用速度较慢的仿真来获得的准确性。

3 能量最小化

我们的目标是优化一个GSM编解码器的应用程序。应用程序将在一个具有ARM7处理器的MPARM平台上运行。参数高速缓存的大小、高速缓存相关性和处理器的频率是可变的。

处理器的频率是一个关键参数，它影响应用程序的速度和功率消耗。功耗与频率及电源电压的平方成正比[2]：P=CV2f

在大多数系统中，选择一个较低的频率意味着使用较低的电源电压。这样处理器所消耗的功率就会以立方进行减少。其实，对于电池供电的系统，大家对能量消耗更有兴趣。能量的公式定义如下：

这里，t 为每秒的运行时间， NC 为时钟周期数来表示的运行时间。从这个公式中我们看出，如果我们只是减少频率而使电压保持不变，虽然功耗呈线性减少，但是能量的消耗是不变的。

4 实验结果分析

第一步，我们设置的缓存类型是指令缓存，关联性是直接映射的。然后我们来改变缓存的大小，能量如下表：

第二步，我们设置的缓存类型是指令缓存，关联性是K-路组关联。然后我们来改变缓存的大小，能量如下表：

第三步，我们设置的缓存类型是数据缓存，关联性是直接映射的。然后我们来改变缓存的大小，能量如下表。

第四步，我们设置的缓存类型是数据缓存，关联性是K-路组关联。然后我们来改变缓存的大小，能量如下表。

根据上面的实验数据，我们把指令缓存和数据缓存的最小能耗结合起来。

总能量为：29591216.93 [pJ] typ

第五步，我们改变频率 f 的值：

所以最佳设置是：

5 结束语

文章通过上面的实验展示了使用仿真来对芯片进行优化的方法。按照相同的思路，还可对其它性能进行优化。

参考文献

[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.