嵌入式系統中外圍器件的能耗估算方法

在目前的嵌入式系統中，外圍器件是造成大量能耗的主要原因，本文介紹一種精確到每個周期的外圍器件的能耗計算方法，利用它可以計算輪詢、I/O中斷和直接存儲器存取(DMA)過程的能耗，由此得出整個軟件運行的能耗曲線，讓軟件設計工程師可確定在程序流中的哪一程序段正在消耗大量的功率，因而可以從軟件設計角度優化嵌入式產品設計。

在嵌入式系統中，能量的大部分被音頻、視頻和無線連接這樣的外圍器件所消耗，本文介紹了一種精確到每個周期的能耗曲線的測試工具。通過能耗曲線，軟件設計工程師可確定在程序流中的哪一程序段正在消耗大量的功率。

在處理器和外圍器件之間有兩種不同類型的通訊協議，即輪詢和基于中斷的通訊。采用DMA可以使內存和外圍器件之間直接訪問。各個I/O元件是以不同的運行模式工作的，對于各個模式，每一個周期值的相應能耗可由制造商的數據表中所給的功率及性能值計算出來。下面本文將從能耗優化問題的提出、方法和仿真結果三個方面討論嵌入式系統中外圍器件的能耗估算問題。

能耗優化問題的提出

過去，大量的研究工作僅單獨考慮處理器的能耗，在當前的嵌入式系統中，處理器在總能耗預算中占有限的比率，有一些研究工作探討了處理器和內存之間的存儲和通迅系統的能耗優化問題。但是，目前的便攜嵌入式系統常運行多媒體應用，該應用需要多種外圍器件，像音頻和無線連接這樣的外圍器件對能耗就有很大影響，對于無線連接，其影響可達到總系統能耗的60%。

有人提出了一種用于優化外圍器件及其驅動器的方法，他用事件驅動的有限狀態機附加約束和綜合模式來定義器件驅動器的行為，器件驅動器用給定的約束條件自動合成，其目的是自動建立與器件驅動器無關的平臺，該平臺可很容易地被映射為專用平臺，但是問題在于沒有提出考慮了外圍器件的系統級能耗仿真器。

本文介紹的能耗驅動的優化方法對外圍器件進行精確到每個周期的能耗仿真，用于這類器件的能耗模型由制造商所提供的數據表建立。精確到每個周期的仿真器(cycle accurate simulator)可仿真MP3音頻重放或MPEG視頻等先進的嵌入式系統的實時應用。本文介紹的能耗曲線能夠顯示包括外圍器件的每個硬件元件(如處理器)上每個軟件程序段所消耗的能量，由此得出總的系統能耗曲線。