嵌入式计算

在吞吐量固定的情况下 利用并行结构降低能量
• 8位加法器/比较器
40MHz 5V电压 面积 = 530 kμ2
• 两个并行交叉的加法器/比较器
– 20MHz 2.9V， 面积= 1,800 kμ2 (3.4x)
– Power = 0.36 Pref
• • •
一个管道地址比较单元 – 40MHz at 2.9V, area = 690 kμ2 (1.3x) – Power = 0.39 Pref – 20MHz ，2.0V, 面积= 1,961 kμ2 (3.7x) – Power = 0.2 Pref
• 数字信号处理器（DSP）
– 围绕多个累加引擎进行组织，用于数字信号处理应用
• 可编程门阵列
– 为了一些应用，重新配置逻辑电路，替换处理器／DSP
特有领域处理器的新形式
• 网络处理器
－8-16的单线程处理器内核阵列，组织在一个芯片内，用于处理互联网 数据包
• 媒体处理器 －传统的RISC或者VLIW引擎，扩展媒体处理指令（SIMD或向量机）
□一个计算机不仅用来运行一般目的程序的，而且可以用来 作为一个系统的一部分．一般而言，用户不能改变计算机 的程序（除了做较少的升级） □应用实例：数码相机
游戏机 电视 洗碗机 汽车 路由器
等等 ．
早期的嵌入式计算例子
●MIT 旋流式，1946-51 为实时飞翔模拟而开发的 ●微软4004,1971 为了Busicom141-PF打印计算表而开发的
功率和能量的对比
• 系统A有比较高的功率最高点，但是整个能量低一些． • 系统B有低一些的功率最高点，但是整个能量要多一些
对计算机系统的影响
每个任务消耗的能量决定了电池的生命
－第二个结果，另一种效应是较高的电流减少有效的电池能量容量（高 功率同时也会降低电池的生命）
电流会使IR下降，即电源提供电压下降
Байду номын сангаас
消除小故障
－平衡逻辑路径来避免启动时的小故障 －使用单调的逻辑
减少切换电容
• 降低切换电容C
– – – – 不同的逻辑结构（逻辑的，传递晶体管，动态的） 注意晶体管的大小 紧密的布局 分段结构 当发送值给C 共享总线由A/B驱动 当B传输给C时，插 入切换以隔离总线分段
降低供电电压
• 每次电源切换，可节省4倍的能量—BIG效应 • 电路速度降低 • 必须降低时钟的频率以维持正确性
– 无源和泄漏二极管会泄漏成衬底二极管
降低切换功率
功率正比于活动＊½ CV2＊次数 降低活动 降低切换电容C 降低提供的电压V 降低频率
减少活动
• 时钟门控
－不需要的时候不要触发时钟 －避免下行舜变逻辑 －P4有几百个门时钟
• 总线编码
－选择编码减小平均舜变（地址总线的格林码） －压缩方案（移动少数的位）
• 流水加法器/比较器
“刚刚够”的性能
• 通过降低频率和电压到最低限度，节省能量到（通常在操 作系统中进行）
Transmeta Crusoe TM5400电压变化
嵌入式计算机的类型
• 通用处理器
– 通常都很贵，很热，过于不可预测，并且需要太多的支持嵌入应 用的逻辑
• 微型控制器
– 强调位级的操作和强控制流操作（一个可编程状态机器） – 通常包含片内存储器和I/O设备
嵌入式计算机的重要参数
实时性能：
硬实时：如果截止时间超出，系统就是失败的（汽车刹车） 软实时：截止时间的超出只是降低了系统的性能（DVD上的回放）
实际的I/O性能：
传感器和制动器需要连续的I/O（不能切换进程）
代价：
包含支持结构和特殊存储器的代价 静态代码的大小非常重要（涉及到ROM/RAM的代价） 通常要传送成千上万份的拷贝（值得工程师花时间家底代价）
能量在CMOS中的消耗
• 主要构件： □电容充电（85-90%活动能量）
．能量是½ CV2每次跳变
□短电路电流（10-15%活动能量）
．当p沟道和n沟道晶体管信号跳变引起启动时
□阈下泄漏（主要是不活动的时候）
．晶体管不会完全关掉 ．当电源频繁打开关闭时，它也是耗电的重要因素
□二极管泄漏（可以忽略）
• 一个工程师开发一年的代码，使系统节省1美元，将会传 送1000000个单元 • 汇编代码比ASIC芯片设计简单 • 但是，改进空间……
供电：
昂贵的包装和冷却影响系统的造价、大小和重量
性能是什么？
• 延时（或者响应时间或者执行时间）
– 完成一个任务的时间
• 带宽（流通量）
– 单位时间任务完成的个数
性能测量
• 桌面性能哪个是最好的？ ＿＿ • 硬实时任务哪个是最好 的？＿＿
未来计算基础构造
物理复习
□能量用焦耳度量的 □功率是能量消耗率，用瓦特度量（单位是：焦耳／分钟） □瞬间的功率可以用电压＊电流计算 □电池容量的用焦耳为单位度量 ．720焦耳／克锂电池 Intel Xscale上一条指令大约消耗1nJ
嵌
入
式
计
算
Krste Asanovic 计算机实验室 麻省理工学院
你拥有多少微处理器？
□在发达国家里，平均每人拥有大约100个微处理器． 几乎所有的都是嵌入式的 □或许到2012年的时候，平均每个人都有10000个微处理 器． （这个是依据了Moore定律）
未来的计算基本构造
什么是嵌入式计算机
－用于机顶盒，DVD播放器，数字摄象机
DSP处理器
一个32位DSP指令： 等同于RISC ISA中的一个乘法，3个加法和2个装入指令
网络处理器
嵌入式计算机编程
• 微型控制器，数字信号处理器，网络处理器，媒体处理器 通常都有复杂的、不正交的指令集，并带有专门的指令和 特殊的存储结构
－弱的编译代码质量（编译后代码峰值的％） －很高的静态代码效率 －高的MIPS/S和MIP S/W －通常在关键循环中，使用汇编代码
－需要更多的电源／地线引脚来降低电阻R －需要薄而长的片上金属线或者专用的金属层
切换电流引起感应电源电压反弹∝Ldl/dt
－需要更多/更短的引脚来降低电感线圈L －需要片内去耦电容，来帮助瞬时切换的旁路 能量的耗费就象热量一样，温度的升高会降低速度和可靠性 －需要更贵的封装和冷却系统 －风扇噪声 －便携机温度
降低频率
• 不用节省能量，只需要减少消耗率
– 一些电池寿命的延长来源于减少放电率
降低能量的电压变化
• 降低供电电压0.5，每次舜变时可以节省能量0.25 • 性能降低需要用慢时钟 • 可用并行结构重新提高性能 • 另外，通过降低电压到刚刚好的性能，可以把多余的性能 用在较低能量（组件） • 动态电压变化