[发明专利]一种面向嵌入式系统的全系统能耗模拟方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式系统低能耗设计领域，具体涉及一种面向嵌入式系统的全系统能耗模拟方法及系统。

背景技术

随着嵌入式系统的运算能力、存储容量、多媒体处理能力快速发展，嵌入式设备能够支持的应用越来越多，功能越来越强大，向着多样化、个性化的方向发展。同时，嵌入式设备系统的能耗也在不断变大。然而，嵌入式设备尺寸及电池电量有限，使得降低能耗成为了嵌入式系统设计面临的严重挑战之一。为了解决这个问题，人们使用各种低能耗技术来降低嵌入式系统的能耗，包括低能耗硬件设计(系统部件具有多个功耗状态)，低能耗软件设计、以及全系统能耗优化技术。为了支持低能耗的软硬件设计与优化技术，需要有效地评估嵌入式系统运行时的全系统能耗。

评估系统能耗的方法有两种：硬件测量和软件模拟。硬件测量方法实用，但是只能测量已经完成部署的系统，对硬件要求高，不适用于嵌入式系统设计阶段。软件模拟方法的准确性受限于能耗模型，但应用灵活，不仅可以模拟已经部署的系统能耗，还可以模拟处于设计阶段的系统能耗，并且具有可定制的功能，在研究开发领域具有较大优势。

现有的软件模拟方法主要针对嵌入式处理器，不能对其他系统部件能耗进行有效的模拟。业界尚没有完整实用的全系统部件能耗模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于对两种用户的工作提供帮助。1)嵌入式硬件系统设计开发者(如智能手机生产厂商)可以使用本发明在设计嵌入式设备时模拟各个系统部件的能耗，获得其目标嵌入式设备的能耗信息，来验证其设计是否满足能耗约束。2)嵌入式软件生产者(如嵌入式操作系统生产厂商)可以使用本发明获取操作系统运行在多种嵌入式设备上的能耗特性，来验证其低能耗优化策略的有效性。

在本方法中，实现了时钟周期精度的全系统能耗模拟。时钟周期精度是指以处理器周期为单位，把系统部件周期能耗映射到对应的处理器周期中，从而得到以处理器周期为时间粒度的能耗模拟结果。其中，利用体系结构级处理器能耗模型模拟了指令流在处理器上运行时每个周期的能耗，利用基于状态和操作的系统部件能耗模型模拟除处理器以外的其他系统部件的时钟周期精度的能耗。执行每条指令时，计算系统各部件的时钟周期能耗，全系统能耗即为指令执行期间各系统部件的时钟周期能耗之和。在本方法中，采用外部设备能耗模拟器模拟执行操作系统和应用程序，截获程序对系统部件的访问，根据周期精度的系统部件能耗模型来准确模拟除处理器外的系统部件的能耗；采用处理器能耗模拟器根据指令流信息和基于体系结构的处理器能耗模型模拟处理器能耗；用全系统能耗合成模块累计程序执行期间的全系统能耗；最后，分析并显示能耗分析结果。

具体来说，本发明针对嵌入式系统的全系统能耗模拟方法包括下列步骤：

A.配置目标嵌入式系统的系统部件信息。

所述的目标嵌入式系统的结构如图1所示。包括下列系统部件：处理器(计算型部件)，内存(存储型部件)，IO控制器(接口型部件)，LCD、FLASH存储、网络设备(外部系统部件)等。

所述的系统部件信息是指系统部件的结构、性能及功耗信息。可配置的信息包括：

A1.嵌入式处理器信息。包括：体系结构信息和功耗信息。

所述的体系结构信息是指处理器的各个体系结构部件(如：高速缓存CACHE、逻辑运算单元ALU)的结构信息(如：一级指令CACHE的块数、相联度、TAG位数等)。

所述的功耗信息是指处理器的设计工艺(如：90nm下的晶体管的功耗信息)及各体系结构部件的功耗信息(如：频率、工作电压)。

A2.内存信息。包括：内存的结构信息、性能信息和功耗信息。

所述的内存结构信息包括内存的类别(如：SRAM、DRAM、FLASH)、内存的大小(如：32MB)以及内存的位宽(如：8位)。

所述的内存功耗信息包括内存在各个状态下的功耗(如：IDLE状态下功耗为10mW)以及内存每次操作的访问时间(如：90ns)。

A3.IO控制器功耗信息。

所述的IO控制器功耗信息是指IO控制器在各个功耗状态下的功耗(如：ACTIVE状态下平均功耗为50mW)。

A4.LCD功耗信息。

所述的LCD的功耗信息包括LCD显示的功耗以及LCD在各个背光亮度级别下的功耗。

A5.FLASH信息。包括FLASH的性能信息和功耗信息。

所述的FLASH存储的性能信息是指FLASH执行读、写单位数据操作的时间。