2.2 部件的選擇和系統(tǒng)分區(qū)

設(shè)計(jì)者對(duì)運(yùn)行軟件的處理器、總線的數(shù)目和采用仲裁協(xié)議的類(lèi)型通常有一個(gè)總體的思路，可以初步?jīng)Q定系統(tǒng)包含部件的數(shù)目和類(lèi)型。最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就是各種硬件加速器：微處理器、ASIC和通過(guò)總線連接的主存。對(duì)于更加復(fù)雜的系統(tǒng)則需要不同種類(lèi)的處理器、多個(gè)ASIC、各種總線和多種存儲(chǔ)器。

一旦部件的數(shù)目和類(lèi)型確定下來(lái)，進(jìn)程就要用ASIC或運(yùn)行在專(zhuān)用部件上的軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬通道要和總線緊密連接，多個(gè)過(guò)程能用同一個(gè)處理器開(kāi)且多個(gè)通道也可以共享同一總線。根據(jù)ASIC的面積和處理器的價(jià)格，在保持性能不變的情況下，一個(gè)典型分區(qū)的目標(biāo)就是使系統(tǒng)代價(jià)最小。在最壞情況下，所有的過(guò)程在單一的ASIC上實(shí)現(xiàn)；而在理想情況下，處理器在不需要額外硬件的情況下完成所有的工作。

低功耗分區(qū)的代價(jià)函數(shù)在系統(tǒng)上是硬件、軟件和通信過(guò)程功耗估計(jì)的總和。在分區(qū)過(guò)程中，在滿足給定速度面積條件下，這個(gè)函數(shù)應(yīng)該達(dá)到最小值。

2.3 功耗估計(jì)

正如通信過(guò)程中的功耗估計(jì)一樣，對(duì)于每一個(gè)任務(wù)不管用硬件還是軟件實(shí)現(xiàn)，功耗估計(jì)都是非常重要。

軟件功耗和所用的處理器是密切相關(guān)的。通常它需要每一條指令或指令類(lèi)的準(zhǔn)確信息。功耗估計(jì)可以在不同準(zhǔn)確度的級(jí)別上進(jìn)行；僅用軟件代碼長(zhǎng)度并假定所有指令的功耗相等；考慮指令的分類(lèi)和指令序列；通過(guò)使用處理器的硬件模型和硬件模擬器來(lái)獲得指令序列的功耗估計(jì)。對(duì)每一個(gè)處理器，根據(jù)規(guī)定的功耗特性可以采用不同的估計(jì)方法。例如，對(duì)于處理器P1僅用代碼長(zhǎng)度估計(jì)，可能要比P2用硬件模型估計(jì)得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。
硬件功耗估計(jì)可以在行為級(jí)到門(mén)級(jí)的不同級(jí)別上進(jìn)行。在較低級(jí)別上的估計(jì)比在較高級(jí)別上的估計(jì)要準(zhǔn)確，但更費(fèi)時(shí)。由于同一個(gè)任務(wù)用軟件實(shí)現(xiàn)比用硬件實(shí)現(xiàn)更耗能，因此對(duì)硬件功耗估計(jì)也不必太精確，在較高級(jí)別上的估計(jì)就足夠了。硬件估計(jì)包括數(shù)據(jù)路徑、控制部件和內(nèi)部互連上的功耗。由于功耗依賴(lài)于被處理的數(shù)據(jù)，因此利用輸入到硬件里的數(shù)據(jù)與信號(hào)相關(guān)的信息能獲得更好的估計(jì)結(jié)果。

通信過(guò)程中的功耗與互連的類(lèi)型密切相關(guān)。它不僅依賴(lài)于各部件連接的情況，同時(shí)與通信的帶寬和編碼類(lèi)型有關(guān)。

3 實(shí)現(xiàn)方法

迄今為止，在低功耗協(xié)同設(shè)計(jì)領(lǐng)域，包含所有常用結(jié)構(gòu)的研究報(bào)導(dǎo)不多，而且大部分都是針對(duì)比較簡(jiǎn)單且結(jié)果固定的一個(gè)ASIC和一個(gè)處理器的情況。許多低功耗綜合系統(tǒng)都是從最初的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中發(fā)展而來(lái)的。在高級(jí)綜合中，模塊庫(kù)是可用的，并且每一個(gè)模塊和操作數(shù)據(jù)都是研究的。本部分所用的方法和高級(jí)綜合類(lèi)似。

3.1 必需的數(shù)據(jù)

模塊庫(kù)由處理器（DSP、微控制器、通用CPU）和物理通信通道組成。對(duì)每一個(gè)處理器，我們假定以下數(shù)據(jù)是可用的：

*參考電壓Vref和參考時(shí)鐘頻率fref；
*對(duì)于給定Vref和fref，在處理器上運(yùn)行任務(wù)I所消耗的率Pi；
*處理器上任務(wù)i的執(zhí)行時(shí)間ti。

以上所涉及的是系統(tǒng)的軟件部分。在硬件上實(shí)現(xiàn)一個(gè)任務(wù)沒(méi)有特別的方法。快速的硬件設(shè)計(jì)給出了下限，系統(tǒng)級(jí)規(guī)范對(duì)執(zhí)行時(shí)間的要求則確定了上限。在供電電壓不變的情況下，快速電路通常需要更多的晶體管，產(chǎn)生了更大的開(kāi)關(guān)電容，從而消耗更多的能量。我們假定一個(gè)任務(wù)在硬件實(shí)現(xiàn)上表示為兩個(gè)極端的設(shè)計(jì)：其中一個(gè)速度最快，消耗能量最多；另一個(gè)最慢，但消耗能量最少，如圖3所示。

3.2 綜合過(guò)程

在一個(gè)常用的高級(jí)綜合里，通常需要完成分配、調(diào)度和任務(wù)的綁定，在協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中也可采用相同的方法。分別將影響每一個(gè)執(zhí)行任務(wù)的功耗，高度將決定總的執(zhí)行時(shí)間，綁定則影響通信過(guò)程。

在這里，要注意切耗和能量的區(qū)別。考慮一個(gè)任務(wù)以不同的頻率f1和f2在一個(gè)處理上運(yùn)行，相應(yīng)的時(shí)鐘周期分別為T(mén)1和T2，所需的周期數(shù)都是N，如圖4。由于要做同樣的計(jì)算，完成該任務(wù)所需的能量與頻率無(wú)關(guān)，而功耗卻隨時(shí)鐘頻率增加。另一方面，式（2）電路的延遲（Delay）與供電電壓成反比，這里考慮到門(mén)限電壓VT足夠小：

聯(lián)合式（1）和（2）可以得到式（3）。對(duì)于不同的執(zhí)行時(shí)間，式（3）給出了新功耗Pnew和原功耗Pi之間的關(guān)系：

式（3）表示：在一個(gè)給定的處理器上，對(duì)于一個(gè)特定的任務(wù)，如果允許較長(zhǎng)的執(zhí)行時(shí)間，通過(guò)降低電壓可以在很大程度上降低功耗。因此，一個(gè)比較好的方法是讓處理器盡可能地一直處于工作的狀態(tài)，因?yàn)樵黾訄?zhí)行時(shí)間比處理器空閑時(shí)關(guān)掉它更有利。
?

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從一個(gè)現(xiàn)有的系統(tǒng)綜合環(huán)境出發(fā)，通過(guò)約束邏輯編程方法，專(zhuān)家們開(kāi)發(fā)了一個(gè)增強(qiáng)型環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合。在我們的例子中，任務(wù)圖里有九個(gè)任務(wù)和八個(gè)過(guò)程。資源庫(kù)里包括三種類(lèi)型的處理器，其代價(jià)是{4,5,2}，平均相對(duì)功耗是{4,6,5}，資源庫(kù)還包括一條總線。結(jié)果顯示，不同的任務(wù)有不同的執(zhí)行時(shí)間，從而產(chǎn)生了不同的功耗。圖5繪出了這個(gè)例子的設(shè)計(jì)空間，柱狀體代表給定條件下具有最小功耗的設(shè)計(jì)。從圖5中可以看出：如果最大代價(jià)和臨界值條件放寬一些，功耗就可以降低。
?

結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果在設(shè)計(jì)階段就盡可能地考慮功耗，就可以明顯地降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明了在較高級(jí)別上重視功耗的重要性，這對(duì)設(shè)計(jì)正在廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)具有非常重要的指導(dǎo)意義。