早期系统设计中的功耗建模和估计

随着 SoC 设计复杂性的增加，系统级功耗估算正成为一个关键因素。这个由两部分组成的系列的第一部分解释了为什么会出现这种情况，并介绍了一个用于评估子系统、芯片和整个系统的功耗的综合建模平台。

随着应用程序可扩展性的提高，在许多情况下，低功耗已变得与处理性能一样重要。不幸的是，到目前为止，设计工程师一直使用电子表格来估算系统级功耗。

这种方法非常耗时且容易出错，尤其是在使用复杂的 SoC 和复杂的电源管理技术时。必须在每个抽象级别以高精度执行功耗分析，以便对设计的功耗和功耗优化的效果充满信心。

例如，确定架构的整体能源概况需要分析从功耗到能源管理的范围，以及这些因素如何与机械外壳相互作用。需要早期反馈以了解系统的限制和要求，以及系统的可扩展性如何影响功率是您系统未来的主要因素。

吞吐量分析是不够的。有必要在设计的早期阶段了解功率。

功率测量的综合建模

视觉模拟提出了一种提供早期功耗估计的新方法，使设计人员能够通过图形建模环境快速评估不同架构和电源管理技术的能量分布。VisualSim 是一种基于模型的系统仿真软件，它使用基于组件的建模方法加速开发并提供大量报告。该系统可以是处理器、SoC、自动驾驶辅助系统、飞行航电控制器或冒险相机。建模组件可以是资源、FPGA、分立组件、电气系统、MEMS、处理器、基于分布的流量生成器、硬件外围设备或软件图。使用 VisualSim，可以分析和建模发电、存储、消耗和管理，以及它对系统、子系统、

专门针对本文的目的，VisualSim 电源建模工具包提供了一个系统级电源探索解决方案，该解决方案可以捕获系统或半导体中能量的产生、存储和消耗。它甚至可以通过捕获设备的状态变化来计算动态功率。

分层功率分析允许通过三个独特的功率建模模块从芯片级到物联网系统网络进行功率建模。

能量收集器块：

提供一种方便的方式来模拟基于电机的电力采集器

支持不同的基于时间的机制，例如风力涡轮机

可直接连接到电池充电设备

功率表：

研究和建模电力基础设施

确定资源操作的功耗

支持优化电源管理算法的设计

简化了为电池供电设备选择合适的电池配置

电源管理器块：

与每个具有电源功能的 IP 块就其运行状态进行通信

可以定义提供自定义功耗统计的模块

支持用户可指定的电源门控机制

可以捕捉瞬时功率变化

VisualSim 会考虑设备的活动和状态变化，例如从睡眠到深度睡眠的逻辑。它还跟踪每种状态下的功耗、不同任务的不同功率水平以及不同的发电过程。

发电和电池模型

VisualSim 提供多种发电模块。VisualSim 包含当前市场上的许多设备的电源数据，这可以节省用户的时间和精力，但您也可以输入现有系统电源配置文件的跟踪并在平台内对其进行调试。

还包括各种电池模型，这些模型超越了基于系统请求的充电和放电仿真。电池模型包含外部冲击和热活动、充电/放电循环次数及其速率、电涌次数，以及所有这些如何影响电池寿命和最大充电量。

然后可以使用 VisualSim Power Table 优化这些系统架构参数。

功率表

电源表与电池和能量收集器一起工作，以测量实验性电源管理算法及其对功耗的潜在影响。与 VisualSim 的其余部分一样，它可以适应动态状态变化、设备内的不同状态持续时间，并与模型的时序一起工作（尽管它确实引入了与状态之间的转换时间相关的延迟）。

自定义块

自定义块可以是具有多个状态的单个实例。使用电源更新 RegEx 更改电源状态。

自定义设备也可以是单个设备中具有多个相同实例的块。PCIe 中的根复合体端口就是一个很好的例子。此处，端口的通道数不同，不同通道数的功率将是自定义状态列 Active_4、Active_8 等，其中每个端口是一个队列号。

当每个端口接收到一个请求时，它可以作为 PCIe 的一个实例添加到 Power Table 队列中。这是使用 powerUpdateN RegEx 运算符完成的。

图 1. 功率表配置。

如图 1 所示，功率表模块的参数分为三个主要区域。

Manager Set-Up 维护以下属性的列表：

设备名称：维护功率表中所有设备的列表

电源状态：列出并显示所有不同类型的状态

状态转换：根据正在线程化的任务类型跟踪活动和非活动状态。

Exist： 给出设备的当前状态。

Async-State-Change 包含一个“时间状态”，它显示状态应该改变之前的时间段，可以根据需要进行设置。

表达式列表允许设计人员实现有关功率值和状态变化的不同逻辑。它还支持表达式列表块的逻辑和正则表达式。表达式必须是单行并以“;”结尾。

迈向真实世界的功率分析

如前所述，VisualSim 建模和仿真环境配备了准确确定从 IP 块到复杂的多设备部署的系统功率分布所需的所有功能。为了证明其在行动中的价值，早期系统设计中的功耗建模和估计的第二部分 将展示该工具在多个研究场景中的表现，包括：

抵消并发任务

比较以 1 GHz 运行的单核与以 250 MHz 运行的四核

动态电压频率缩放 （DVFS）

电源门控

这些场景在四核处理器上执行，该处理器使用调度程序执行四个并发线程和中断。

审核编辑：郭婷