微處理器功耗性能的測試標(biāo)準(zhǔn)

隨著嵌入式系統(tǒng)在消費(fèi)電子和工業(yè)設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，功耗已經(jīng)開始像時鐘速度和系統(tǒng)性能一樣成為微處理器的一個核心特性。為了確定各種微處理器的功耗效率，嵌入式微處理器基準(zhǔn)協(xié)會開發(fā)了一個有力的工具――EnergyBench。

同協(xié)會的其他性能benchmark一起使用，EnergyBench可以測試處理器在進(jìn)行一系列標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用任務(wù)時的功耗大小。有了這樣一個同性能測試緊密聯(lián)系的功耗標(biāo)準(zhǔn)測度，設(shè)計工程師就能比較多個供應(yīng)商提供的微處理器的性能/功耗，從而選擇一款最適合自己應(yīng)用的產(chǎn)品。

測試方法

EnergyBench采用National Instruments公司的一個8通道的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件?？梢灾С秩齻€能量(電壓和電流)測試加上一個觸發(fā)通道，數(shù)據(jù)采集卡對觸發(fā)通道和電壓一起采樣，并且把結(jié)果輸出到一個文件里。靈活的觸發(fā)機(jī)制可以將功耗測試同性能benchmark同步，這一點(diǎn)可以保證功耗測試是在benchmark代碼的同步部分內(nèi)進(jìn)行，從而避免將benchmark初始化階段的功耗包括進(jìn)去。LabVIEW采樣程序接受一個配置文件，它可以通過為觸發(fā)探測和電壓電流通道一起指定電

壓來定義觸發(fā)機(jī)制。

一個benchmark要稱得上標(biāo)準(zhǔn)化，它的結(jié)果必須是可靠的、可重復(fù)的，并且是一致的。EnergyBench采用幾種方法來達(dá)到統(tǒng)計學(xué)上的精確結(jié)果。

作為一個規(guī)則，采樣模塊必須使用不同的采樣頻率調(diào)用數(shù)次。一般的，為了得到精確的結(jié)果，采樣頻率必須是2倍以上Nyquist頻率或者是一些隨機(jī)數(shù)。偽隨機(jī)方法是benchmark以一個與benchmark執(zhí)行頻率無關(guān)的頻率運(yùn)行時進(jìn)行多次取樣。假定benchmark的每個遍歷(iteration)以周期性的時間間隔出現(xiàn)，那么錯開這個周期來取樣就可以保證每個遍歷(iteration)內(nèi)在偽隨機(jī)點(diǎn)時取樣。這種方法可以簡單地實(shí)現(xiàn)和保證統(tǒng)計上的精確結(jié)果。一旦所有的測試取樣都已完成，分析模塊將開始計算benchmark的每個遍歷(iteration)上消耗的能量的平均值。嵌入式微處理器基準(zhǔn)協(xié)會的功耗分析模塊分析這些采樣，決定每個遍歷(iteration)所使用的能量，找出最大值和最小值。

對于某個特定的采樣頻率，如果測試值變化太大，用戶可以增大采樣頻率和/或遍歷(iteration)次數(shù)，直到有足夠的采樣，以便滿足平均值誤差在規(guī)定的5%之內(nèi)。EnergyBench測試的最終結(jié)果是工作量一次遍歷(iteration)上消耗的能量的平均值，該工作量是指在目標(biāo)器件上運(yùn)行benchmark時的工作量，該過程如圖1所示。

圖1 EnergyBench的數(shù)據(jù)給出了評估處理器功耗效率的基礎(chǔ)

結(jié)果在功率分析模塊中以energy/iteration表顯示，圖1中同時顯示了分析的遍歷(iteration)次數(shù)。用戶也可以使用EEMBC測試套件來測試最大和最小功耗。

測試條件

EnergyBench規(guī)定，器件測試時，至少預(yù)熱30分鐘，器件周圍的環(huán)境溫度為70°F±5°F，這些規(guī)定可以保證測試結(jié)果的一致性，因?yàn)槠骷囟壬邥r，其功耗也會顯著增加。

EnergyBench的規(guī)定中還要求處理器上的所有功率軌(power rail)都要測試，對于有超過1個功率軌(power rail)(如核心功率和I/0功率)的處理器，有兩種方法來計算benchmark的每個遍歷(iteration)的功耗。使用數(shù)據(jù)采集卡，EnergyBench可以同時測試最多3個rail，在這種方法中，所有通道都以同樣速率采樣，因此，數(shù)據(jù)采集卡的采樣率可能需要降低，以便主機(jī)的處理能力與采樣率相匹配。另一種方法，是采取分別測試各個rail，將每個rail消耗的能量之和作為整個功耗。該如何決定采用哪種測試方法呢?首先，一些處理器有超過3個功率軌(power rail)，在這種情況下，即使三個rail同時測試，但個別rail還是需要單獨(dú)測試。另外，要根據(jù)處理器的工作頻率選擇合適的采樣率，以便允許有足夠的采樣。為了滿足幾GHz的處理器，采樣率一般會非常高，以致主機(jī)因?yàn)闊o法跟得上這么快的速度而一次只能進(jìn)行一個rail的測試。