圖1：Xenergy能量估計軟件能夠對運行在Tensilica Xtensa可配置處理器或者鉆石標準處理器上的應用程序進行功耗評估。

工作原理

針對各種處理器配置情況以及不同的制造工藝，Tensilica生成的訪存(讀和寫)功耗統(tǒng)計模型和每條指令的功耗統(tǒng)計模型均經過詳細的綜合、RTL代碼設計以及門級仿真。Xenergy工具使用這些模型，即使采用Tensilica指令擴展(TIE)語言編寫的由設計人員定義的指令也不例外。

Xenergy工具使用訪存功耗統(tǒng)計模型和指令功耗統(tǒng)計模型，包括了用Tensilica指令擴展語言編寫的由設計人員定義的擴展指令。針對各種處理器配置情況以及不同的制造工藝，這些統(tǒng)計模型的開發(fā)包括了詳細的綜合、RTL代碼設計以及門級仿真。

Xenergy工具采用Tensilica的指令集仿真器ISS對應用程序進行仿真，仿真精度達到時鐘周期。仿真后可以給出每條指令執(zhí)行以及每次訪存的綜合統(tǒng)計信息。針對采用的處理器和存儲器，Xenergy工具可以估計出相應的動態(tài)功耗、漏電功耗和全部功耗。

存儲器和應用程序代碼效應

有些TIE指令可以改善應用程序的性能，但極大地增加了訪存次數(shù)，進而增加了系統(tǒng)功耗。而且，對高速緩存的更新(容量和關聯(lián)度)有助于功耗優(yōu)化。Xenergy程序能夠幫助設計人員理解整個處理器的變化所造成的影響，這些變化是在處理器配置過程中隨著存儲器的不同所引起的。

類似地，Xenergy工具能夠幫助開發(fā)人員修改應用程序代碼來減少處理器和存儲器的能量消耗。例如，在應用程序中對數(shù)據(jù)結構進行重構能夠降低訪存次數(shù)。通過使用Tensilica的標準軟件工具，開發(fā)人員可以發(fā)現(xiàn)應用程序的改善情況。通過使用Xenergy工具，開發(fā)人員能夠發(fā)現(xiàn)通過修改程序代碼來降低系統(tǒng)功耗。

一個例子

我們采用EEMBC(嵌入式微處理器典型程序聯(lián)盟，參見網址www.eembc.org)中的RGB到YUV顏色轉換典型程序來說明Xenergy工具是如果在實際應用程序中使用的。

我們也可以采用Tensilica的XPRES(Xtensa處理器擴展綜合)編譯器，該編譯器利用C或者C++編寫的應用程序軟件作為輸入數(shù)據(jù)，并產生用TIE語言表示的處理器擴展。通過XPRES編譯器可以為Xtensa處理器產生三種擴展指令集。

1. 要求XPRES編譯器產生TIE指令，完成指令操作融合，即將多個操作符融合成一個單一復雜操作。

2. 然后，我們可以要求XPRES也產生SIMD(單指令多數(shù)據(jù))功能部件(及相應的指令)，進行向量操作，即對多個數(shù)據(jù)元素施加相同的操作符。

3. 最后，我們要求XPRES編譯器將Xtensa處理器擴展成一個VLIW(超長指令字)體系結構，并利用Tensilica的FLIX(定長指令擴展)技術。XPRES編譯器利用VLIW指令構建多發(fā)射數(shù)據(jù)通路，VLIW指令可以包括多個操作。

　　           圖2：對不同Xtensa處理器擴展后的性能、功耗和面積對應關系。

三種Xtensa配置結果如圖2所示。周期數(shù)與性能是等價的，這由在指令集仿真器ISS上執(zhí)行的顏色轉換應用程序來決定。門數(shù)可以由Tensilica的TIE編譯器來估計得到。所有其它數(shù)據(jù)均由Xenergy工具來生成。

圖2表示由XPRES編譯器生成的SIMD操作以及融合操作性能改善情況，大約是3.8倍，而門數(shù)為大約5倍。處理器和存儲器功耗與性能的對應關系相當好。另外還表示了當XPRES編譯器生成VLIW(FLIX)體系結構時，性能的改善情況是大約20%。然而，門數(shù)為兩倍，且處理器功耗很差。

因此，由于SIMD操作引起的性能改善將使得功耗降低，且由于芯片面積(門數(shù))的增加使得系統(tǒng)功耗/能量增加。這是最好的優(yōu)化情況。

上述例子說明Xenergy評估工具是SoC設計人員在對性能、面積和功耗進行折衷時不可或缺的軟件工具。

本文小結

Tensilica公司的Xenergy工具軟件為SoC設計人員提前對運行在某些應用程序時的處理器和存儲器子系統(tǒng)所消耗的總能量進行評估。設計人員能夠馬上看到Xtensa配置和TIE指令代碼改變后的整個系統(tǒng)功耗情況。這對那些使用Xtensa處理器來代替RTL去設計SoC數(shù)據(jù)通路的設計人員尤為重要。通過使用定制TIE指令可以盡早評估系統(tǒng)的功耗情況，這有助于正確評估系統(tǒng)功耗、面積和性能。

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