29、流水线处理器的指令级能耗建模

流水线处理器的指令级能耗建模

1 引言

在处理器能耗建模领域，有多种技术用于测量和估算指令执行过程中的能耗。这些技术对于优化嵌入式软件的能耗至关重要，因为它们可以帮助开发者了解不同指令的能耗情况，从而进行针对性的优化。

2 现有测量技术概述

2.1 Tiwari 方法

多数基于测量技术的研究以 Tiwari 方法为基点。该方法使用标准数字电流表进行测量，只能获得平均功率估计，用于建模任务。例如在对 ARM7TDMI 处理器核心的研究中，就有直接应用 Tiwari 技术的案例。

2.2 精确电流测量方法

• 基于电阻的测量 ：使用数字化示波器读取插入电源与处理器核心供电引脚之间精密电阻上的电压差，从而测量瞬时电流。但该方法受处理器电源电压波动影响，会降低测量精度。
• 基于开关电容的测量 ：提出了一种用于精确测量周期能耗的复杂电路拓扑，通过开关电容实现电荷转移测量。但该方法无法提供电流波形的详细信息。

3 流水线处理器的指令级能耗建模方法

3.1 测量原理

该方法基于测量指令执行期间处理器的瞬时电流。采用高性能电流镜作为电流传感电路，插入供电线路，将电流复制到电阻上，以减少处理器电源电压波动，提高测量精度。使用高速数字化示波器监测电阻上的电压降。

3.2 流水线处理器的能耗计算

• 时钟周期能耗 ：在每个时钟周期监测瞬时电流 $i(t)