EnergyBench 评估嵌入式处理器功耗的工具

EnergyBench的采样、分析和数据搜集方式

EnergyBench采用由LabVIEW软件平台创建的采样模块获取功耗信息，对定义触发方式和预期电压范围的配置文件进行读取。该采样模块连接到数据采集卡，在运行基准测试的同时采集电压及电流信息。所采信息在收到开始信号后即行写入磁盘，收到结束信号后停止。为减少可能发生的用户错误，该程序提供统一的用户界面，如图1所示。而数据采集卡（DAQ）也提供了经济实用的HW平台，以采集必要的数据。



图1 EnergyBench采样模块通过友好的图形用户界面（GUI）或配置文件进行设置。所有相关参数如电压、电阻和采样频率均可进行设置。通过采集信号的可选图形对电流、电压和触发通道进行显示。

美国国家仪器有限公司与DAQMx驱动兼容的数据采集卡均可使用。数据采集卡缺省要求，同时EnergyBench规则也规定须测量微处理器所有功率轨的功耗状况。EnergyBench含有可执行程序，可以同时测量一条、两条或三条功率轨的功耗状况。对于有不止一条功率轨（即堆芯功率和输入/输出功率）的微处理器来讲，可以采用两种方法计算出基准程序每次迭代的功耗。第一种方法，EnergyBench使用数据采集卡同时测量三条功率轨的功耗状况，也就是说所有通道都以相同的速率进行采样，因此可能需要降低数据采集卡的采样速率，以匹配主机的采样能力。此外，由于确保测量结果可以重复，因此可以分别对功率轨进行测量，这种情况下各功率轨的平均功耗之和即等于累计总能耗量。

对捕获数据进行分析是EnergyBench的最后一步。用于数据分析的微软程序名叫功耗分析模块。分析过程中需要计算以下数值：

1. 各功率轨的最低、最高、平均功率及标准误差状况。

2. 总功率的几何平均数

3. 基准程序每次迭代功耗的最低、最高、平均功率及标准误差大小。

基准程序经多次迭代获取测量样本后，分析模块即开始分析，寻找其中的关键细节。嵌入式微处理器测试基准协会功耗分析模块分析捕获的样本，确定基准程序每次迭代的平均功耗，找到最低和最高功耗样本。计算功耗须先计算基准程序每次迭代功耗样本的几何平均值，并乘以迭代时间得出最后的结果。某些情况下，可能会出现基准程序迭代过速，以致于功耗样本的出现赶不上基准程序迭代的速度。在这种情况下，必须先分析至少100个样本，再计算该段时间内所有迭代的平均能耗。

功耗分析模块的能耗/迭代表以图表形式显示结果。用户也可利用协会设置在基准程序运行时查看最低和最高功耗，了解所获样本的变化状况。

EnergyBench测试的最终结果是负载迭代的平均功耗。经嵌入式微处理器测试基准协会认证的Energymark?分数是供制造厂商选择的一种衡量标准，厂家可以与认证的性能得分一道向客户提供，以显示处理器功耗效率的大小。

可靠性验证须测试下列数值：

1. 特定采样频率区间内的变化（置信区间须达到95%）

2. 频率间报告能耗的变化

3. 反复调用基准程序时报告能耗的变化

如果特定采样频率区间内变化过大，用户可以加大频率和/或基准程序迭代数，直至采集到足够的样本，以使平均值的置信区间达到规定的95%。

如果两采样频率之间变化过大，可以改变采样频率。

如果各次调用结果相差过大，可能由于线路噪音过大，需要采取减噪措施。另外一种可能是在基准程序运行时处理器在大部分时间内还在执行除基准程序以外的其他任务，在这种情况下则需要更好地实现基准程序与其他任务的分离。本过程原理如图2所示。



　图2 本过程在特定基准及该基准的特定负载与典型能耗之间建立了联系

可编程数据采集卡能轻易地确定采样频率等参数，同时将获取数据永久保留。图3是此方法幕后运行的代码样本。此代码以LabVIEW软件编写，可以持续将获取的样本写入文件，直至从触发通道收到配置信号。代码还配备了显示所有捕获信号选项，实际上是驱动图1图形用户界面的部分代码。电压、电阻和采样频率等所有相关参数均可进行配置。具体地讲，图1显示的是当该循环收到触发信号、并准备退出时的图形用户界面状态。



　图3 采样循环的数据采集卡代码

EnergyBench背后的选择为加深对测试方法的理解，嵌入式微处理器基准协会也考虑过许多替代选项，包括：

? 规定能耗测量的结温度。

? 采用高频范围并对环境严格控制。

? 指定探测和校验技术。

但由于目的不是定性部件，而是要确定一种推导典型能耗的标准方法，因此找到一种采用现有经济实用硬件的方法更为重要。EnergyBench通过统计分析和规则进行验证，无需昂贵设备和工厂化流程。验证过程只需控制室温而无需测量结温和外壳温度， 而控制室温在任何实验室或大学均可做到。验证过程只需用到简单的数据采集卡而非昂贵的分析软件，在规定结果误差的情况下以不同频率多次运行能够确保验证结果可靠且可以重复。

另外一个问题是验证过程需要从5MHZ微控制器推导出目前市场上速度最快的处理器状况。同样需要关注的还有确保能在不同测试地点重复验证过程以独立认证结果。