Hitex Energiespar-Potenziale frühzeitig identifizieren

Quantifiziert den Energieverbrauch einer Applikation: das »PowerScale«-Tool von Hitex.

Der Karlsruher Entwicklungssystem-Hersteller Hitex hat ein neues Tool vorgestellt, mit dem sich die Software von Embedded-Systemen in ihrem Leistungsverbrauch optimieren lässt. Dazu misst sie den Energieverbrauch einer Applikation an bis zu vier Power Domains gleichzeitig und ordnet sie einzelnen Software-Sequenzen zu.

Strom oder Leistung zu sparen liegt aus offensichtlichen Gründen voll im Trend. Zum einen gibt es neben einem zunehmenden Bewusstsein für den schonenden Umgang mit vorhandenen Ressourcen natürlich auch konkrete gesetzliche Anforderungen, die erfüllt werden müssen. Zum anderen wächst auch die Zahl portabler, batteriebetriebener Geräte stetig. Bei diesen sind lange Laufzeiten und ein geringes Gewicht wesentliche Verkaufskriterien. Als logische Konsequenz daraus ist eine niedrige Leistungsaufnahme in vielen aktuellen Projekten zu einer wesentlichen Anforderung im Pflichtenheft geworden. Doch in diesem Punkt zu qualitativen Aussagen zu kommen, ist meist eine schwierige Angelegenheit.

»Während man bei der Hardwareentwicklung durch die Auswahl geeigneter Bauelemente auf eine niedrige Stromaufnahme hinarbeiten kann, stehen die Softwareentwickler bezüglich der Minimierung des Leistungsverbrauchs oft vor großen Herausforderungen«, erklärt Roland Helbig, Head of Marketing and Sales von Hitex. »In der Praxis werden meist erst einmal alle Funktionen implementiert und anschließend überlegt man, wie sich eine niedrige Leistungsaufnahme realisieren lässt. Viel besser wäre es, bereits frühzeitig im Projekt auf geringen Energieverbrauch zu achten.« Hierzu zählt der Experte die folgenden Aspekte auf:

Zunächst sollte geprüft werden, ob die verwendeten Bauteile tatsächlich die Parameter einhalten, die der Hersteller angibt. Davon darf man zwar meist ausgehen, doch gibt es Angaben, die sich in ihrer Bedeutung unterscheiden. Welche Bedeutung hat in der Praxis z.B. die Angabe von Maximalwerten gegenüber von typischen Werten? Ferner sind solche Werte oft nicht für den gesamten Temperaturbereich definiert, womit eine weitere Unsicherheit entsteht. Hier gibt es möglicherweise einige Reserven, die der Optimierung dienen könnten.

Viele moderne Mikrocontroller bieten eine große Anzahl von Stromspar-Möglichkeiten wie z.B. unterschiedliche Power-Down-Modes, Abschaltung von Prozessorperipherien oder Absenkung der Core-Spannung. Aber wie wirken sich diese Maßnahmen auf das Gesamtsystem aus und wie lassen sich diese Möglichkeiten überhaupt optimal einsetzen?

Die Energieversorgung einer Applikation wird nach dem Bedarf bemessen. Geht man während der Entwicklung von einem zu hohen Bedarf aus, weil die Software bzw. auch die Hardware noch nicht optimiert ist, wird die Versorgung möglicherweise zu großzügig ausgelegt, was zu unnötigen Kosten führt.

»Je fortgeschrittener ein Design bereits ist, desto schwieriger wird es, die Stromaufnahme unter einen bestimmten Wert zu senken«, so Helbig. »Womöglich ist dann auch nicht mehr genügend Zeit, Maßnahmen ins Design einfließen zu lassen, oder geeignete Bauteile sind im benötigten Gehäuseformat nicht lieferbar. Dies führt dann zu zusätzlichen Kosten durch Lieferverzögerungen, Redesigns oder Überschreiten von Vorgabewerten.« Und letztendlich sollte auch bereits sehr frühzeitig geprüft werden, ob das geplante Energiebudget ausreicht, die Anwendung durchgängig und auch in Phasen mit erhöhter Stromaufnahme zu versorgen.

»Als systematische Vorgehensweise empfiehlt es sich, bereits an den ersten Prototypen Messungen durchzuführen und diese dann in Relation zur Software zu bringen«, unterstreicht der Experte. »Hierzu haben wir unser Entwicklungswerkzeug ‚PowerScale’ entwickelt, mit dem es möglich ist, bis zu vier Messkanäle gleichzeitig aufzuzeichnen und mit Software-Events zu verknüpfen.«

Optimalerweise sind im Design bereits hardwareseitig Messpunkte vorgesehen. Zudem stehen für viele Standardanwendungen (z.B. Power-over-USB oder Power-over-Ethernet) bereits fertige Adapter zur Verfügung. Die Messpunkte sollten es erlauben, die Stromversorgung einzelner Bereiche in der Applikation aufzutrennen und die Messprobe an diesen Stellen anzuschließen. So lässt sich nicht nur ermitteln, wie sich die Gesamtstromaufnahme verhält, sondern es lässt sich bereits in einem frühen Entwicklungsstadium die erwartete Stromverteilung im Gerät einschätzen. »Ein ganz wesentlicher Aspekt für den Softwareentwickler ist nun die Möglichkeit, durch Definition von Bereichen in seiner Software, den Stromverbrauch mit der Software zu korrelieren«, erklärt Helbig. »Somit kann er eine detaillierte Aussage über die Einhaltung von Laufzeitanforderungen treffen, bei gleichzeitiger Optimierung der Software auf möglichst günstige Verbrauchswerte.«

Um den Einsatz von PowerScale einfach zu gestalten und auch aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, bietet Hitex verschiedene Messproben an. Dabei sticht besonders die ACM-Probe hervor. Sie basiert auf der von Hitex entwickelten ACM-Technologie (Active Current Measurement), die es ermöglicht, Ströme über extrem große Messbereiche präzise zu messen – in diesem Fall vom nA- bis zum A-Bereich. Die Probe erkennt automatisch den zu messenden Bereich und stellt sich darauf ein. Dank seiner offenen API erlaubt PowerScale auch die Fernsteuerung durch andere Tools sowie die Weitergabe der Messergebnisse an andere Applikationen. »Hat der Entwickler erst einmal die entsprechenden Informationen zur Hand, kann er sich ganz gezielt daran machen, die Teile seiner Software zu optimieren, die hierfür das größte Potential bieten«, so Helbig. »So lässt sich letztendlich der Energieverbrauch einer Applikation präzise quantifizieren.«

Fazit: Die Stromaufnahme frühzeitige zu prüfen und zu optimieren, bringt erhebliche Vorteile. Ansätze wie der PowerScale von Hitex stellen dem Software-Entwickler eine einfach zu bedienende Lösung zur Verfügung, die es ermöglicht, die verbrauchsbestimmenden Faktoren einer Applikation zu erkennen und zu optimieren. »Die Optimierung der Hardware in Bezug auf Energieverbrauch ist in der Regel eine Herausforderung und führt oft zu höheren Beschaffungskosten«, resümiert der Experte. »Die Software hat aber meist einen mindestens ebenso großen Einfluss auf den Energieverbrauch, und Softwareoptimierungen sind selbst bei Serienprodukten per Software-Update noch preiswert möglich. Dieses Optimierungspotential wird dem Entwickler durch den innovativen Ansatz von Hitex zugänglich gemacht.«