Тернопільський національний економічний університетФакультет комп’ютерних інформаційних технологій

Кафедра інформаційно-обчислювальних систем та управління

Інформаційно-вимірювальна система дослідження параметрів

енергоспоживання вбудованих мікропроцесорів

05.13.05 - „Комп’ютерні системи та компоненти“

Здобувач: Боровий Андрій Модестович

Науковий керівник: к. т. н., доц., проф. Кочан В. В.Співкерівник: проф. Теодор Лаопулос

(Університет Аристотеля м. Салоніки, Греція)

2

Актуальність● Основним обов’язковим елементом кожної системи є мікропроцесор

● У 2008 році було відвантажено 10,76 млрд вбудованих мікропроцесорів

● У січні 2011 року ARM Ltd. оголосила про відвантаження 15 млрд. процесора

● До 2013 року прогнозована кількість процесорів зросте до 13,8 млрд. одиниць/рік (VDC)

● До 2015 року компанія Intel планує випустити 15 млрд. процесорів для вбудованих систем

● Основне енергоспоживання системи — 30% процесор та відеопам’ять

● Оптимальне енергоспоживання мікропроцесора забезпечує:

● роботу пристрою у проектованому температурному режимі;

● збільшення часу роботи від автономних джерел живлення.

● Енергоспоживання процесора характеризується інструкціями, які він виконує

3

Відомі методи управління енергоспоживанням

● Програмна оптимізація енергоспоживання:

● може застосовуватися для будь-якої комп’ютерної системи;

● може застосовуватися для наявного ПЗ — вимагає перекомпіляції

● може застосовуватися для нового ПЗ на етапі проектування — вимагає відповідних засобів розробки

Достатня точність методів, обладнання та алгоритмів обробки

Програмне управління енергоспоживанням

Модель енергоспоживання мікропроцесора

Експериментальні дослідження енергоспоживання

Обладнання для вимірювання енергоспоживання

Дослідники: В. Тіварі, Е. Масій, М. Педрам, С. Сегарс, К. Брандолезе, С. Стайнке, Т. Лаопулос

● Середнє енергоспоживання:● Методична похибка від

невизначеності датувань відліків.● Миттєве енергоспоживання:

● Методичні похибки:● Нештатна схема увімкнення;● Зміна спаду напруг на

струмовому дзеркалі.

4

Мета та завдання дисертаційного дослідження● Мета: створення інформаційно-вимірювальної системи оцінки енергії споживання

імпульсних споживачів, зокрема дослідження параметрів енергоспоживання мікропроцесорів, яка забезпечує узагальнення отриманих даних за допомогою ШНМ

● Об’єкт дослідження — процес споживання енергії мікропроцесором при виконанні окремих інструкцій

● Предмет дослідження — Методи і засоби оцінки енергоспоживання мікропроцесорів при виконанні окремих інструкцій

Задачі дослідження

● Розробка методів та засобів калібрування вимірювальних каналів пропонованої ІВС для забезпечення високої точності вимірювання (0,5 — 1%);

● Створення спеціалізованої ІВС дослідження мікропроцесорів, яка забезпечує вимірювання значень миттєвого струму споживання мікропроцесора та обчислення параметрів його енергоспоживання при роботі в штатному режимі;

● Аналіз набору інструкцій, які використовуються мікропроцесором типу RISC, з метою виявлення параметрів, які впливають на енергоспоживання, їх систематизація для подальшої обробки програмними засобами;

● Зменшення допустимої кількості експериментально-досліджуваних інструкцій, шляхом узагальнення їх енергоспоживання за допомогою ШНМ;

● На основі експериментальних досліджень провести оцінку енергоспоживання мікропроцесора ARM7TDMI при виконанні інструкцій;

● За допомогою контрольної вибірки ШНМ провести їх верифікацію на тестових програмах.

5

Структурна схема вимірювання параметрів енергоспоживання мікропроцесора

„Пристрій вимірювання енергії імпульсних споживачів.“ Патент на винахід №90922 Україна: МПК (2009) G05F 5/00 G01K 17/00 .— № а200806325 ; заявл. 13.05.2008; опубл.: 10.06.2010 Бюл. №11

Переваги: 1. Мікропроцесор заземлений і в колі живлення є конденсатор (штатний режим).2. Основне рівняння схеми відображає перший закон Кірхгофа. 3. Осцилограф працює в диференційному режимі.

6

Обробка результатів вимірювання

● Визначення значень миттєвого струму

Ι ΜΚ=Ι Ref − IC−I R I R=U O2−U O1

RI C=

U O1⋅C

ΔTΔT=

1F осцилографа

● Визначення енергії мікропроцесора при виконанні інструкцій

Ε інструкції=∑i=1

n

E i n=T CLK

ΔtE i=U MK i

⋅I MK iU MK i

=U ref +U O1i

● Джерела похибок результату вимірювань

● Осцилограф 8-розрядний — U01

, U02

≈1,5%

Δt ≈ 0,01%● Високочастотний конденсатор — C ≈ 20%● Високочастотні резистори — R ≈ 5%● Джерело опорної напруги — U

Ref ≈ 2,5%

● Джерело опорного струму — регульоване

7

Метод калібрування вимірювальних каналів

● Встановлення нуля та калібрування осцилографа● Закорочення входу● Підключення U

Ref

тоді:●

● Вимірювання значень опору резисторів і струму IRef

прецизійним тестером класу 0,05

● У цьому випадку необхідно обчислити ємність конденсатора С● Основна ідея методу — споживання енергії не залежить від підключення

конденсатора до схеми

N O10, N O20

N O1Ref, N O2Ref

U O1=U Ref

N O1−N O10

N O1Ref−N O10

U O2=U Ref

N O2−N O20

N O2Ref−N O20

TtestU

t

UО1 з С

UО1 без С R1R2

R3

UMK

UO2

Імітаційна модель мікропроцесора

8

Оцінка похибок

● Апроксимація експоненти прямою

● Якщо , то

● Тоді , а

● Таким чином●

●

●

●

U O2−U O1

R2

+U O1+U Ref

R1= I Ref −ΔU C

CΔt

C=Δt

ΔU C

( I Ref −U O2−U O1

R2

−U O1+U Ref

R1)

δC=√δ t2+2δU O1

2+2δU O2

2+δR

2+δU o

2+δU Ref

2+δR

2+δ Ι Ref

2≈0,25%

δNL≈0,45 %Δt=0,1…0,2 τ ΔU C →0,05V

δC∑=δC+δNL=0,7 %

I MK=I Ref −(U O1t2

−U O1t1)

Ct 2−t1

−U O2−U O1

R

δ I i=√δ I Ref

2 +2δD2 +δC

2 +δ t2+2δU O

2 +δR2≈0,75 %

δE=√δU Ref

2+δ D

2+δC

2+δ I i

2≈0,75%

δU Ref≈0,056 % δD≈0,004 %

9

Архітектура ІВС

Дослід-жуваниймікро-

процесор

Цифро-вий

осцило-граф

Вимірювальна схема

Накопи-чувач

Оброб-лення

результ.виміру

Прогнозенерго-спожи-вання

Оцінкапохибкипрогнозу

Планув.додатк.дослід-жень

Написан.тестовихпрограм

Конди-ційні

нейроннімережі

Навчаннянейрон-

нихмереж

10

Апаратні засоби ІВССтруктура ІВС в режимі вимірювання її параметрів

Тра

нсф

орм

атор

+ в

ипря

мля

ч220 В,50 Гц

Стаб.+12 В

Стаб.+5 ВUREF

Стаб.струму

ІREF

Опер.підс. Ключ

1

Гене-ратор Ключ

2

R1

R2

мА

Ом

Ом

С1 ВВ

Под

ільн

ик

11

Апаратні засоби ІВССтруктура ІВС в режимі калібрування

Тра

нсф

орм

атор

+ в

ипря

мля

ч

220 В,50 Гц

Стаб.+12 В

Стаб.+5 ВUREF

Стаб.струму

ІREF

Опер.підс. Ключ

1

Гене-ратор Ключ

2

R1

R2

Імітат.Мікро-проце-сора

Циф

рови

й ос

цило

граф

Кан.1

Кан.2

Земля

С1

С2

Под

ільн

ик

12

Апаратні засоби ІВССтруктура ІВС в режимі вимірювання параметрів

енергоспоживання Т

ранс

фор

мат

ор +

вип

рям

ляч

220 В,50 Гц

Стаб.+12 В

Стаб.+5 ВUREF

Стаб.струму

ІREF

Опер.підс. Ключ

1

Гене-ратор Ключ

2

R1

R2

Мікро-проце-

сор

Циф

рови

й ос

цило

граф

Кан.1

Кан.2

Земля

С1

С2

Под

ільн

ик

13

Програмні засоби:Блок-схема сервера

Початок

Кінець

Перевірка наявності драйверу

осцилографа

Драйвер наявний?

Відкрити сокет на типовий порт

Слухати порт на отримання

нових з’єднань

Отримано нове

з’єднання?

З’єднання розірваноклієнтом?

Процедура обміну даними між клієнтом та осцилографом

Закрити з’єднання зі сторони сервера

Отриманокоманду прозавершення

роботи?

Закрити з’єднання зі сторони сервера

1

12

2

ТакТак

Так

Ні

Ні

Так

Ні

3

3

Ні

4

4

14

Програмні засоби:блок-схема алгоритму клієнт-серверної

взаємодії Початок

Встановитипараметри

Отримати даніз осцилографа

Рівеньтригера

або початоксегменту

Встановити рівень тригераабо початок сегменту

2

Ні

Так

Типові параметри

Тригер = 0;Зміщення = 0;

Масштаб напруги = 20 мВ

Так

Ні

2

Автоматичниймасштаб

for,кінець сегменту

Емакс

= Емін

=перший елемент

Емакс

< пот. зн

Емін

> пот. зн

Емакс

= пот. зн

Емін

= пот. зн

for

Верхня межа осц. = Емакс

Нижня межа осц. = Емін

2

3

Ні

Так

Так

Так

Ні Ні

1

Кінець

Передача запиту осцилографу

2

ТакТак

1

3

15

Програмні засоби:Блок-схема алгоритму клієнта

Початок

Кінець

Встановлення з’єднання з сервером

Файл для запису тимчасових даних

Ініціалізація графічного інтерфейсу

Зміна початку сегменту

Встановленнятригера

Збір даних

Збереженняданих

Зупинкапрограми

Надсилання запитупро зміну початку

сегменту

Надсилання запитупро встановлення

тригера

Надсилання запитупро збір даних

Файл для запису даних

Файлдля запису

данихРозрив зв’язку з

сервером

Так Так

Так

Ні Ні

Ні

Миттєве значення напруги2000 елементів

з’єднання встановлене?

1 2 3 4

1 2 3

4

1

Ні

2

Так

3

54

5

Ні

Так

16

Програмні засоби:Блок-схема програми обробки результатів

Початок

Кінець

Файл зрезультатамивимірювань

Відкриття файлу

Вибір стовпців з:а) часовими відлікамиб) значеннями напруги

Встановлення змінних для стовпців часу і напруги

Процедураобробки„сирих“даних

Процедураобробки

апроксимо-ванихданих

Процедураобробкизнешум-

ленихданих

Завершенняроботи

програми?

Обробка„сирих“даних

Обробкаапроксимованих

даних

Обробка знешумлених

даних

Закриття файлу з даними

Так Так Так

Так

Ні

НіНіНі

1 2 3 4

1 2 3

4

17

Програмні засоби:Робота програми обробки результатів

18

Програмні засоби:Робота програми обробки результатів

фактичні та апроксимовані дані

19

Вимірювання енергоспоживання мікропроцесора

● Тіварі — середнє енергоспоживання —15%

● Лі — середнє енергоспоживання —15%

● Чанг — середнє енергоспоживання —12%

● Стайнке — середнє енергоспоживання —12%

● Лаопулос — миттєве енергоспоживання — 4%

● ІВС. Миттєве енергоспоживання — 1%

Оцінка енергоспоживання мікропроцесора● Тіварі — середнє енергоспоживання — 17%

● Лі — середнє енергоспоживання — 17%

● Чанг — середнє енергоспоживання — 15%

● Стайнке — середнє енергоспоживання — 15%

● Лаопулос — миттєве енергоспоживання — 7%

● Застосування штучних нейронних мереж на даних Лаопулоса — 10 - 1000%

20

Аналіз виконання інструкцій процесором

● Відома модель оцінки енергоспоживання мікропроцесора:

● Виконання інструкцій процесором:

● Базове енергоспоживання: енергоспоживання інструкції, що виконується між двома еталонними інструкціями;

● Міжінструкційний перехід — енергоспоживання інструкції між двома досліджуваними інструкціями

P total=∑ Bi×N i∑i , j

O i , j×N i , j∑k

E k

21

Вимірювання енергоспоживання еталонної інструкції

● Інструкція виконується в циклі● В ролі еталонної обрано інструкцію циклу: В

(порожній цикл)

Е(В) = 6,71 Е-9 Вт

22

Дослідження міжінструкційного переходу

● Обчислюємо діапазон t2…t

7;

● Звідки:

Ε total=∑i=2

7

E t i=3 E I+E B+E I , B+E B , I

E I , B+E B , I=Ε total−3 E I−E BE i=2E-9 E B=6,71E-9E total=13,4 E−9 E I ,B+E B , I=0,69 E−9

23

Аналіз інструкцій ARM7TDMI

Набір 32-розрядних інструкцій ARM● Інструкції циклу (3 інструкції)● Інструкції опрацювання даних (16 інструкцій x 11 РА);● Інструкції множення (6 інструкцій)● Інструкції доступу до регістра статусу (2 інструкції)● Інструкції завантаження та зберігання (12 інструкцій x 9 РА)● Інструкції завантаження та зберігання декількох реєстрів (5

інструкцій x 4 режими адресації)● Інструкції семафора (2 інструкції);● Інструкції генерації виняткових ситуацій (1 інструкція);● Інструкції співпроцесора (4 інструкції x 4 РА).

24

Аналіз ІОД за семантикою

● #<immediate>● <Rm>● <Rm>, LSL #<shift_imm>● <Rm>, LSL <Rs>● <Rm>, LSR #<shift_imm>● <Rm>, LSR <Rs>● <Rm>, ASR #<shift_imm>● <Rm>, ASR <Rs>● <Rm>, ROR #<shift_imm>● <Rm>, ROR <Rs>● <Rm>, RRX

1) <opcode> {cond}{S} <Rd>, <Rn>, #<immed>ADD R0, R1, #12) <opcode> {cond}{S} <Rd>, <Rn>, <Rm>ADD R0, R1, R2<opcode> {cond}{S} <Rd>, <Rn>, <Rm>, <LSL|LSR|ASR|ROR> #shift_immADD R0, R1, R2, ASR #1<opcode> {cond}{S} <Rd>, <Rn>, <Rm> RRXADD R0, R1, R2, RRX3) <opcode> {cond}{S} <Rd>, <Rn>, <Rm>, <LSL|LSR|ASR|ROR> <Rs>ADD R0, R1, R2, ROR R3

25

Зведений аналіз ІОД

Інструкції опрацювання даних

Арифметико-логічні інструкції

Інструкції переносуІнструкції

порівняння/перевірки

90 елементів

106елементів

138елементів

45елементів

58елементів

80елементів

45елементів

58елементів

80елементів

141елемент

93елементи 93

елементи

26

Оцінка енергоспоживання мікропроцесора при виконанні ІОД за допомогою ШНМ

Арифметико-логічні інструкції Інструкції переносу

Найвища похибка оцінки енергоспоживання: 3,2 %

27

Оцінка енергоспоживання мікропроцесора при виконанні ІОД за допомогою ШНМ

Інструкції перевірки

Оцінка енергоспоживання мікропроцесора● Тіварі — середнє енергоспоживання — 17%● Лі — середнє енергоспоживання — 17%● Чанг — середнє енергоспоживання — 15%● Стайнке — середнє енергоспоживання — 15%● Лаопулос — миттєве енергоспоживання — 7%● Застосування штучних нейронних мереж на даних Лаопулоса — 10 — 1000%● Застосування штучних нейронних мереж з врахуванням семантики та ентропії — 3,2%

28

Впровадження

● Україно-грецький проект №М85/2006 „Аналіз параметрів команд для енергетичного моделювання вбудованих мікропроцесорів“: - ПЗ оцінки енергоспоживання мікропроцесора

● Гранту Фонду державних стипендій Греції (Idryma Kratikwn Ypotrofiwn) на проведення наукових досліджень у 2009-2010 році в університеті Аристотеля м. Салоніки: - апаратна частина ІВС

● Науково-дослідна робота по темі: „Нейромережеві методи оцінки енергоспоживання мікропроцесорів при виконанні інструкцій“: - програмна частина ІВС та розширення функціоналу ПЗ оцінки енергоспоживання мікропроцесора

29

Висновки1. На основі аналізу методів мінімізації енергоспоживання вбудованих систем

показано, що перспективною є оптимізація програмного забезпечення, яка вимагає побудови моделей енергоспоживання мікропроцесорів. Відомі методи і засоби дослідження енергоспоживання мікропроцесорів або базуються на вимірюванні їх середнього струму, або вимірюють миттєвий струм споживання при нештатній схемі їх ввімкнення, тому похибка отриманих моделей досягає 7 … 10%, що не дозволяє робити однозначні висновки про перевагу одних програм над іншими щодо їх енергоспоживання.

2. Запропоновано метод вимiрювання миттєвого струму споживання мікропроцесорів, особливістю якого є використання конденсатора в колі живлення мікропроцесора як вимірювального перетворювача миттєвого струму споживання мікропроцесора в напругу на конденсаторі. Метод забезпечує вимірювання миттєвого струму споживання мікропроцесора в штатному режимі (без методичної похибки) і диференційний режим роботи каналів цифрового осцилографа (приведена похибка дискретності 8-ми розрядного цифрового осцилографа не перевищує 0,004%).

3. Запропоновано метод калібрування вимірювальних каналів, який передбачає послiдовне калiбрування обох каналiв осцилографа, точне вимiрювання струму стабiлiзатора струму живлення та опору резисторiв схеми, вимiрювання змiни напруги на конденсаторі в колi живлення імітатора iмпульсiв навантаження, струм якого контролюють другим каналом осцилографа. Тоді обчислюють сумарну ємність в колi живлення мікропроцесора (похибка не більше 0,75%).

30

Висновки4. Розроблено архітектуру інформаційно-вимірювальної системи дослідження

параметрів енергоспоживання мікропроцесорів, яка забезпечує узагальнення отриманих даних за допомогою штучних нейронних мереж.

5. Запропоновано метод побудови моделi енергiї споживання мiкропроцесорiв при виконаннi iнструкцiй та мiжiнструкцiйних переходiв у виглядi “сiрої скриньки” (“чорної” з точки зору апаратного забезпечення та “бiлої” з точки зору програмного забезпечення). Метод використовує комплекс штучних нейронних мереж, що навчаються на вибiрцi, куди входять результати вимiрювання енергiї виконання iнструкцiй в декiлькох режимах i прогнозує енергiю їх виконання у всiх (також і недосліджених експериментально) режимах, що дозволяє рiзко скоротити обсяг необхiдних експериментальних дослiджень.

6. Запропоновано метод формування навчальної вибiрки для прогнозу енергiї виконання iнструкцiй шляхом поєднання їх функціональних ознак та iнформацiйної ентропiї для формування однорiдних масивiв даних із спiльною семантикою з мiнiмальною кiлькiстю вiдмiнних елементiв, що дозволяє штучним нейронним мережам краще виявляти неявнi закономiрностi енергоспоживання мiкропроцесорiв при виконаннi iнструкцiй. В результаті використання методу пiдвищується точнiсть прогнозу енергоспоживання мiкропроцесорiв при виконаннi iнструкцiй, які не були експериментально досліджені.

31

Наукова новизна1. Вперше запропоновано метод вимiрювання миттєвого струму споживання iмпульсних

пристроїв, який, на вiдмiну вiд iснуючих, передбачає обчислення цього струму як рiзницi струму живлення (формується стабiлiзатором постiйного струму), струму заряду-розряду конденсатора в колi живлення iмпульсного пристрою (обчислюється через вимiряну першим каналом осцилографа змiну напруги на цьому конденсаторi за заданий промiжок часу) та струму через еквiвалент стабiлiтрона (обчислюється через вимiряний другим каналом осцилографа спад напруги на ввiмкненому послiдовно з цим еквiвалентом резисторi), що дозволяє визначити миттєвий струм споживання мiкропроцесорiв якi працюють в штатному режимi.

2. Вперше запропоновано метод вимiрювання миттєвого струму споживання мікропроцесорів, особливістю якого є використання конденсатора в колі живлення мікропроцесора як вимірювального перетворювача миттєвого струму споживання мікропроцесора в напругу на конденсаторі. Метод забезпечує вимірювання миттєвого струму споживання мікропроцесора в штатному режимі (без методичної похибки) і диференційний режим роботи каналів цифрового осцилографа (похибка дискретності 0,004%).

3. Вперше запропоновано метод калібрування вимірювальних каналів, який передбачає послiдовне калiбрування обох каналiв осцилографа, точне вимiрювання струму стабiлiзатора струму живлення та опору резисторiв схеми, вимiрювання змiни напруги на конденсаторі в колi живлення імітатора iмпульсiв навантаження, струм якого контролюють другим каналом осцилографа. Тоді обчислюють сумарну ємність в колi живлення мікропроцесора (похибка не більше 0,75%).

32

Наукова новизна

4. Отримав подальший розвиток метод визначення енергії міжінструкційних переходів, який, на відміну від існуючих, дозволив доказати, що енергія міжінструкційних переходів мікропроцесора ARM7TDMI не перевищує похибки вимірювань, тому нею можна нехтувати та відповідно зменшити трудомісткість експериментальних досліджень.

5. Вперше запропоновано метод формування навчальної вибiрки для штучних нейронних мереж прогнозу енергiї виконання iнструкцiй, який, на вiдмiну вiд iснуючих, базується на поєднаннi функцiональних ознак iнструкцiй та їх iнформацiйної ентропiї для формування масивiв даних, якi мають однорiдне енергоспоживання та спiльну семантику з мiнiмальною кiлькiстю вiдмiнних елементiв, що дозволяє штучним нейронним мережам краще виявляти неявнi закономiрностi енергоспоживання мiкропроцесорiв при виконаннi iнструкцiй i, тим самим, пiдвищити точнiсть прогнозу.