Methoden und Werkzeuge helfen dem Entwickler
Optimieren des Stromverbrauchs in DSP-Entwürfen
Fortsetzung des Artikels von Teil 4
Optimieren des Stromverbrauchs in DSP-Entwürfen
Energieeffiziente DSP-Chipdesigns berücksichtigen diese Überlegungen durch die Bildung von „Power Domains“, die es der Applikation ermöglichen, die Takteingänge von gerade nicht benutzten Funktionsblöcken zu trennen. Vergleichbar mit dem per Interrupt beendbaren Energiesparmodus eines Prozessorkerns können auch Peripheriekomponenten und Speicherblöcke in einen Schlafmodus versetzt werden, bis sie benötigt werden. Die Transistoren in den Funktionsblöcken, deren Takt abgeschaltet wurde, nehmen nur den Ruhestrom auf, und die zur Wiederherstellung der Taktfrequenz benötigte Aufwachverzögerung ist minimal. Entwickler, die über die Nutzungsprofile ihrer Produkte nachdenken, müssen auch berücksichtigen, wie viel Kontrolle der DSP ihnen über die Taktung einzelner Funktionsblöcke gibt bzw. automatisch abnimmt.
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Ein weiteres Merkmal, über das stromsparende DSPs heutzutage verfügen, ist die Fähigkeit, Spannung und Frequenz des Prozessorkerns anzupassen. Wenn der DSP die Taktfrequenz reduzieren und dabei seine Verarbeitungsanforderungen noch erfüllen kann, ergeben sich proportionale Einsparungen des Stromverbrauchs. Und wenn eine Senkung der Taktfrequenz mit niedriger Betriebsspannung kombiniert wird, kann die Stromeinsparung erheblich sein. Die Einstellung von Spannungen und Frequenzen ist entweder beim Start für alle Systemoperationen möglich, kann aber auch dynamisch per Software immer dann erfolgen, wenn die Applikation eine Veränderung benötigt. Letzteres bietet ein wichtiges Mittel zum Reduzieren des Stromverbrauchs in Phasen geringer Auslastung.
Die richtigen Energie-Informationen beschaffen
Durch mehrere Prozessorkerne, Applikationen und Energiesparmodi kann es sehr schwierig werden, den Stromverbrauch komplexer DSP-Schaltungen abzuschätzen. Traditionelle Methoden zur Verbrauchsermittlung basierten auf Informationen wie beispielsweise dem Maximalstrom aus dem Datenblatt des Bausteins, dem Strom pro Zyklus oder pro Instruktion (mA/MHz, mA/MIPS). Dazu kamen – oft synthetische – Testfälle für den gesamten Halbleiterchip. Diese Verfahren sind zwar sinnvoll für grobe Schätzungen, aber ungeeignet zum Ermitteln des DSP-Stromverbrauchs eines komplexen Systems, in dem sich die Prozessorkerne, Peripheriekomponenten und der im Baustein integrierte Speicher unabhängig voneinander, anhand von Veränderungen in den Applikationen und Betriebsmodi, ein- und ausschalten lassen. Entwickler benötigen Einblick in den Stromverbrauch unterschiedlicher Funktionen des Bausteins in realen Applikationen. Dadurch können sie die Wirkungen verschiedener Implementierungen präziser abschätzen und herausfinden, wie sich eine Applikation auf den Stromverbrauch unterschiedlicher DSPs auswirkt.
Vom DSP-Hersteller wird ein modularer Ansatz zur Energieverbrauchs-Schätzung erwartet, der den Baustein in Subsysteme aufteilt und jedes Subsystem einzeln analysiert. Nachdem die Werte für die Maximal- und Leerlaufleistung für jede der Onchip-Funktionen ermittelt wurden, lässt sich daraus ihre jeweilige Stromverbrauchskurve interpolieren. Wenn dann der Betriebsgrad für jede Funktion festgelegt ist, können die aus den einzelnen Kurven abgeleiteten Stromverbrauchsdaten zu einer realistischen Schätzung für den gesamten Baustein zusammengefasst werden.
Bild 1 zeigt eine entsprechende Kalkulationstabelle, die einen repräsentativen DSP in seine Subsysteme aufteilt, vom Benutzer eingegebene Parameter berücksichtigt und daraus eine Stromverbrauchs-Schätzung erstellt. Diese Schätzung basiert auf Angaben des Entwicklers, der über ein gutes Verständnis der Gerätenutzung verfügen sollte – unter anderem Faktoren wie Datenbreite, Frequenz, Versorgungsspannung und Prozentsatz der verfügbaren Bandbreite für Peripheriekomponenten –, um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten.
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