基于Garfield的嵌入式系统功耗模型研究与应用

摘要

功耗已经成为嵌入式系统设计中考虑的重要因素。低层次的门级或者RTL级功耗评估工具虽然估算精度较高，但是仿真速度太慢，不适合用于嵌入式系统的功耗评估，因此需要一个快速、准确的系统级功耗评估工具或环境。 论文以Garfield系统为研究对象，分析了ARM7TDMI处理器、片上的嵌入式SRAM和SDRAM的功耗行为，然后建立这些系统组件的功耗模型。其中，ARM7TDMI处理器采用基于状态的功耗建模方法，通过统计它的活动状态和空闲状态时间来估算功耗；SRAM采用基于操作的功耗建模方法，根据读写操作和空闲周期统计来估算功耗，它的操作功耗采用基于存储器编译技术的多元线性回归模型表示；SDRAM采用了基于操作和状态结合的功耗建模方法，根据读、写、激活等操作以及预充状态、激活状态的时间统计来估算功耗。系统级功耗评估环境以系统组件功耗模型为基础，由系统仿真模型、功耗评估函数等模块组成。系统仿真模型提供程序的执行统计信息以及存储器访问信息。功耗评估函数根据这些信息，调用系统组件的功耗模型来计算系统功耗。 最后，在系统功耗评估环境中对Garfield系统进行功耗评估，并与硬件实测结果进行对比。实验表明：系统仿真的精度高、速度快；利用片上SRAM对MP3解码程序进行内存布局优化，系统的平均功耗略有上升，但总能耗显著降低，最高降幅超过40％，提高了系统的能量利用效率。功耗实测结果显示：平均功耗的估算误差约为15％，总能耗的估算误差约为20％，可以满足系统级功耗评估的精度要求；从优化前后系统功耗变化幅度来看，评估结果和实测结果完全一致，证明本文的系统级功耗评估方法是有效的，完全可以用来分析系统级功耗优化的效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1论文的背景

1.1.1功耗的来源

1.1.2功耗建模概述

1.2论文的工作

1.3论文的结构

第二章 嵌入式系统功耗建模技术研究

2.1高层次功耗建模方法

2.1.1基于状态的功耗建模

2.1.2基于指令的功耗建模

2.2基于仿真的高层次功耗评估

2.2.1高层次仿真模型

2.2.2功耗评估环境

2.3本章小结

第三章 系统级功耗评估环境

3.1Garfield芯片简介

3.1.1ARM7TDMI内核

3.1.2外部存储器接口

3.2功耗评估环境总体框架

3.3系统仿真模型

3.3.1指令集模拟器

3.3.2存储子系统仿真模型

3.3.3访问信息统计

3.4功耗评估模块

3.4.1组件功耗模型

3.4.2功耗评估函数

3.4.3功耗监视器

3.5本章小结

第四章 组件功耗建模过程

4.1ARM7TDMI功耗建模

4.1.1ARM7TDMI结构

4.1.2ARM7TDMI功耗特性

4.1.3ARM7TDMI功耗模型

4.1.4ARM7TDMI功耗模型的参数配置和驱动信息

4.2嵌入式SRAM功耗建模

4.2.1SRAM结构

4.2.2SRAM功耗行为

4.2.3SRAM功耗模型

4.2.4SRAM功耗模型的参数配置和驱动信息

4.3SDRAM功耗建模

4.3.1SDRAM结构

4.3.2SDRAM功耗行为

4.3.3SDRAM功耗模型

4.3.4SDRAM功耗模型的参数配置和驱动信息

4.4本章小结

第五章 Garfield系统功耗评估与测试

5.1基于仿真的功耗评估

5.1.1系统仿真的精度和速度分析

5.1.2内存布局优化的功耗评估

5.2硬件功耗实测

5.2.1测试方法

5.2.2测试结果

5.3评估结果和测试结果比较

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论文清单