体系结构中低功耗优化策略

《体系结构中低功耗优化策略》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、体系结构中低功耗优化策略陈一可ChenYike，顾夏申GuXiashen,陆浩远LuHaoyuan同济大学软件学院03级6班(Schoolofsoftwareengineer,TongjiUniversity,Shanghai,China)摘要：随着嵌入式系统的广泛应用，低功耗问题摆在了设计人员面前.低功耗设计包括系统设计、硬件设计软件设计器件的工艺设计等诸多万面。其中器件的工艺设计主要由半导体器件的厂家来完成，嵌入式系统的应用设计人员只需要关心器件的功耗指标。更多的工作集中于系统的硬件、软件以及它们之间的配合方面。关键字：嵌入式设备低功耗优化引言功耗问题是近几年来人们在嵌入式

2、系统的设计屮普遍关注的难点与热点，特别是对于电池供电系统，而且大多数嵌入式设备都有体积和质量的约束。降低系统的功耗具有下而的优I1!•八、、•(1)对于电池供电系统，延长电池的寿命，降低川户更换电池的周期，捉高系统性能与降低系统开销，冥至能起到保护坏境的作用；(2)安全的需要：例如工业现场总线设备的木安I要求，实现木安要求的一个重要途径是降低系统的功耗；(3)降低电磁干扰：系统的功耗越低，电磁辐射的能量越小，对其它设备造成的干扰越小,如果所冇的电了产品都设计成低功耗的，那么电磁兼容性设计会变得容易；(4)节能：特别是对电池供电系统来说，节能更为重要。对于高性能计算机系统和人型服

3、务辭产牛了大量的能量消耗•高性能计算机系统往往山大量的处理节点、大规模的存储系统和I/O设备构成，消耗了大量能量.能量优化对保证系统可靠运行有重耍作用.为了跟踪Moore定律［计算机产业的支撑技术一—互补金属氧化物半导体(CMOS)的工艺不断缩放，芯片的能量密度越來越大，这增加了封装和制冷的代价，能量问题成为芯片设计必须解决的问题.人型服务器系统的电力和制冷问题经常是许多结点失效的原因之一.1本安是一种危险区域的防爆技术，原理是通过限制进入危险区域电路和设备的能就21965年,Intel公司的缔造者之一GordonMoore在总结存储器芯片的增长规律时,扌旨出"微芯片上集成的品

4、体管数B每十二个月翻一番”p4(2Ghzoxum)「4(1•5Ghz"p1'xu三)PIII(7OOMhzo・一sum)Pill(450Mhrp25um}PII(450Mhz・0・25um)P6(2oozhz©.35um>P55C(200Mhz.p35um)pscsu^Mhzo-35wn)pgCUOOMhFQ6um)处理器类型图1：Pentium系列处理器能量增长曲线线路层、门层、体系结构层开发了很多方法减少芯片内部的兀余能量消耗，这包括选样适当的品体管大小，选择低功耗的逻辑风格、多阈值电压、动态电压缩放技术(dynamicvoltagescaling,简称DVS)、冗余部件关

5、闭技术.动态电压缩放和兀余部件关闭技术是在系统的较高层次完成的节能技术，可以通过硬件方法来实现，同时通过软件来完成部件的管理.早期的软件低功耗管理主要山操作系统完成，操作系统负责将空转的CPU、内存、磁盘系统等关闭以达到节能的目的•随着换件技术的发展，产牛了一些细粒度的节能技术，例如，关闭cache行,关闭多bank3内存系统，关闭某些CPU部件.完成这些细粒度的控制需要对程序本身的特点有更全面而具体的了解，所以编译指导的低功耗技术得以研究，例如，编译指导的动态电压缩放技术、编译指导的cache能量优化、编译指导的适应性处理节点策略、编译指导的内存系统管理策略3物理Bank传统

6、内存系统为了保证CPU的正常工作，必须一次传输完CPU在一个传输周期内所需要的数据。而CPU在一个传输周期能接受的数据容量就是CPU数据总线的位宽，单位是biK位)。当时控制内存与CPUZ间数据交换的北桥芯片也因此将内存总线的数据位宽等同于CPU数据总线的位宽，而这个位宽就称Z为物理Bank(PhysicalBank)的位宽1功耗产生的原因目前的集成电路工艺主要有TTL和CMOS两大类，无论哪种工艺，电路中只要有电流通过，就会产生功耗。通常，集成电路的功耗分为静态功耗和动态功耗两部分：当电路的状态没有进行翻转(保持高电平或低电平)时，电路的功耗属于静态功耗，其人小等于电路的电压

7、与流过的电流的乘积;动态功耗是电路翻转时产牛的功耗，由于电路翻转时存在跳变沿,在电路的翻转瞬间，电流比较大，存在较大的动态功耗。式(1)表示电路的功耗组成：P-V2(?)f(?)C+Pstatic(1)其屮是静态功耗，是v工作电压，是f工作频率，是c负载电容。？表示式屮W与f功耗相关的因索越人，功耗越人，但不是线性的。由于FI前大多数电路采用CMOS工艺，静态功耗很小，可以忽略。起主耍作用的是动态功耗，因此降低功耗从降低动态功耗入手。2体系结构层降低功耗技术系统中的动态能量消耗占主要部分，随