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  • 功耗分析

    2019-09-28 20:13:12
    极力推荐Android 开发大总结文章:欢迎收藏 程序员Android 力荐 ,Android 开发者需要的必备...2.正常待机功耗简介 3.最干净的待机电流波形 4.通过唤醒源理清正常待机问题 5.Audio Playback 功耗问题 6.Display 及多...

    strip

    strip

    极力推荐Android 开发大总结文章:欢迎收藏
    程序员Android 力荐 ,Android 开发者需要的必备技能

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    本篇文章主要介绍 Android 开发中的部分知识点,通过阅读本篇文章,您将收获以下内容:

    1.飞行模式底电流问题
    2.正常待机功耗简介
    3.最干净的待机电流波形
    4.通过唤醒源理清正常待机问题
    5.Audio Playback 功耗问题
    6.Display 及多媒体功耗问题
    7.通话功耗问题

    1. 飞行模式底电流问题

    系统睡眠的底电流是所有功耗问题的前置条件,此时wifi 、Bluetooth、Location、Radio 都处于关闭状态。

    系统睡眠的条件

    查看CPU是否进入suspend状态, suspend确切的说是 MCU (ARM)suspend, 也是CPU 进入WFI(Wait For Interrupt)状态,CPU 进入WFI后,整个系统就依靠一颗 SCP:SPM(System Power Manager) 来控制 睡眠/唤醒 的流程

    灭屏到CPU 进入suspend的流程

    灭屏到CPU 进入suspend的流程

    判断系统是否进入suspend
    在kernel log中搜索关键字 Chip_pm_begin 或者 suspend entry

    查看suspend状态

    查看SPM(System Power Manager)状态

    kernel log 中搜索关键字 wake up by, 在kernel Log中查看R13寄存器跟debug_flag的值

    查看SPM(System Power Manager)状态

    2. 正常待机功耗简介

    待机功耗很容易出现问题,并且很难理清,因为其涉及到APK 、Modem、Wifi、Other这些不确定因素。

    功耗问题处理原则:

    1.先花时间把现象理清,到底在什么样的环境下复现。
    2.多做几个实验,给出清晰的问题描述、问题复现条件、电流波形图。
    3.提供关闭 modem 的log

    3. 最干净的待机电流波形

    最干净的待机电流波形

    4. 通过唤醒源理清正常待机问题

    1. 其他唤醒源分析

    kernel Log收缩关键字 wakeup by, wakeup by xxxx ,其中 xxxx 就是唤醒源。

    image.png

    2. APK 唤醒源分析

    APK 唤醒系统是通过设置 type 0type 2的alarm 来唤醒系统,这两种alarm 会设置到RTC寄存器中,而RTC Module 其实是在PMIC 里面,因此APK唤醒实际上是PMICEINT唤醒。

    RTC 唤醒sys_log中搜索关键字 AlarmManager: sending alarm Alarm,查看 type 0type 2 的应用有哪些。

    gms包APK经常唤醒系统

    如果log没有开启,请使用adb shell dumpsys alarm log on

    5. Audio Playback 功耗问题

    Audio playback 时候MTK低端平台没有专门的audio DSP(Heilo X20除外),故无法在suspend状态下完成audio playback,故需要CPU 做这件事情。

    通话的时候之所以可以睡眠,是疑问modem 充当了dsp的角色。

    deep idle 状态

    Deep idle 实际上系统还是Active状态,因此CPU需要快速响应系统请求调度,因此 GPT唤醒源Deep idle的主要唤醒源。

    Kernel Log中搜索关键字 wake up by , 这个log是在 swapper进程 中打印出来的(代表当前CPU在运行idle task) ,并且后面可以看到 DP:的字样。

    播放MPS GPT 唤醒源 log

    MP3播放时进入deep idle状态(20mA)举例

    MP3 播放时进入deep idle 状态(20mA)举例

    区分suspend 与deep Idle

    1. suspend 是跑在 suspend workqueue 中,因此log的进程主体是kwork
    2. deep idle 是跑在idle task 中,因此log的进程主体是swapper
    3. suspend 默认不会被 GPT 唤醒。

    6.Display 及多媒体功耗问题

    手机所有亮屏的场景都是模块自身的耗电跟Display 部分耗电的叠加,所以Display 的功耗在整个系统中占比非常高。
    Display 功耗 = 硬件+平台+内容

    Kernel Log中搜索关键字 wake up by , 这个log是在 swapper进程 中打印出来的(代表当前CPU在运行idle task) ,并且后面可以看到 SO:的字样(通)

    Display 及多媒体功耗问题

    7. 通话电流功耗问题

    通话模式的功耗跟正常模式的功耗区别

    通话模式的功耗跟正常模式的功耗区别

    一般情况下
    GSM 功耗< 3G-TD < 3G-W 功耗

    GSM 3G-TD 功耗图

    3G-W功耗图

    飞行模式底电流 参考文档
    标准模式功耗 参考文档
    Audio PlayBack功耗 参考文档
    通话底功耗 参考文档
    Display 及多媒体功耗 参考文档
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    至此,本篇已结束,如有不对的地方,欢迎您的建议与指正。同时期待您的关注,感谢您的阅读,谢谢!

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    转载于:https://www.cnblogs.com/wangjie1990/p/11327016.html

    展开全文
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    展开全文
  • 芯片功耗分析

    千次阅读 2020-08-07 14:43:05
    芯片功耗分析为什么要降低芯片功耗功耗产生原理漏电功耗组成内部功耗组成翻转功耗电路功耗计算模型漏电功耗计算内部功耗计算翻转功耗计算具体分析 接下去要做一款芯片的数字部分的功耗分析,方便模拟部分设计ldo的...


    接下去要做一款芯片的数字部分的功耗分析,方便模拟部分设计ldo的驱动能力。所以先基本了解功耗分析的基础知识。

    为什么要降低芯片功耗

    1. 芯片封装都较小,如果功耗过大,则能量密度太大
    2. 功耗影响到芯片内部甚至外部的电源网络架构设计
    3. 高功率带来温度提升,会使性能受影响,时序跑不高

    功耗产生原理

    泄露功耗:非理想漏电流产生的功耗(例如MOS管关断时,仍然有微小电流存在)
    内部功耗:寄生参数充放电产生的功耗
    翻转功耗:晶体管负载充放电带来的功耗
    在这里插入图片描述
    其中泄露功耗时静态功耗,内部功耗和翻转功耗是动态功耗。

    漏电功耗组成

    漏电功耗主要包括三个部分:

    • 亚阈值电流:CMOS的G级为0时,管子处于截至状态,S和D之间存在微量漏电流。
    • 栅极隧穿电流:CMOS的工艺越来越小后,G极的SIO2越来越薄,当薄至和电子,空穴的德布罗意波的波长近似时,电子会击穿栅极,产生栅漏电流。
    • 反偏PN节电流:扩散层与衬底之间的漏电电流(非目前主流因素)

    在这里插入图片描述

    内部功耗组成

    内部功耗主要由两个部分组成:

    • 短路电流:CMOS管翻转过程中,pMOS和nMOS同时导通产生的电流,大小与输入信号slew和晶体管负载有关。
    • 输入端口电流:晶体管输入发生翻转,但是输出来改变,但此时输入信号翻转仍会导致内部产生功耗。

    在这里插入图片描述

    翻转功耗

    最常见的功耗,信号翻转产生的功耗。 主要和互联寄生参数和晶体管输入寄生参数有关。

    电路功耗计算模型

    漏电功耗计算

    标准单元、宏单元的漏电功耗根据时序库(Timing library)文件中的“leakage power“查表与duty计算得出。

    查找表内容包括: average leakage power 、 state dependent table

    漏电功耗与input的duty有关,和output的toggle rate无关

    内部功耗计算

    根据timing library中cell的internal_power查表与duty和toggle rate计算

    查找表内容包括:
    Input和output的internal_power

    内部功耗与input信号slew和output的load强相关,与toggle rate有关

    翻转功耗计算

    P=0.5 * C *VDD^2 * f

    具体分析

    下面拿二输入与非门举例如何计算总功耗

    在这里插入图片描述

    • 可以根据input的duty和查表得到的不同状态下的leakage_power来计算总漏电功耗,如下图。
      在这里插入图片描述
    • 根据查表得到的rise_power和fall_power可以和toggle rate计算得到input和output的internal_power,如下图
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述
    • 最后翻转功耗根据公式计算可得,最后的总功耗如下:

    在这里插入图片描述

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  • 针对相关功耗分析攻击中,当功耗曲线的功耗采样点较多时攻击速度缓慢的问题,引入了基于主成分分析的预处理方法。利用主成分分析对功耗曲线进行预处理,提取功耗信息中的主成分,抛弃次要成分,将功耗数据降维,达到...
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    2018-09-04 11:17:55
    项目需要使用PTPX看一下工程的功耗,写了一个使用PTPX做功耗分析的流程。
  • MTK平台功耗分析手册

    2018-08-24 15:04:40
    本文档主要介绍MTK 平台功耗分析相关Debug手段,以及遇到这种问题客户端需要先梳理的部分。 希望读者看到该文档之后,遇到问题能先做第一手的分析,根据文档做初步的Debug,同时也能增长您处理功耗问题的技能.
  • Xilinx 功耗分析

    千次阅读 2013-09-11 20:59:40
    1.功耗分析简介 在FPGA 设计中,功耗分析是成功设计的重要环节。针对 FPGA 设计中的功耗分析,Xilinx 公司推出了简单的速查表格和专用的功耗分析工具——XPower。对于开发初期的 FPGA 功耗估算,设计者一般使用 ...
    1.功耗分析简介 

    在FPGA 设计中,功耗分析是成功设计的重要环节。针对 FPGA 设计中的功耗分析,Xilinx 公司推出了简单的速查表格和专用的功耗分析工具——XPower。对于开发初期的 FPGA 功耗估算,设计者一般使用 Xilinx公司提供的简单图表和公式。例如,XC9500 系列器件的简单功耗分析可以在其数据手册中找到估算公式。Virtex-E 和 Virtex-Ⅱ系列器件的简单功耗分析可以通过 Xilinx公司提供的功耗估算表格完成。对于基本完成逻辑设 计 的 FPGA 功 耗 估 算,设计者可以使用XPower进行详细的功耗分析。

    在 XPower功耗分析过程中,其功耗估算的基本方法是:(1)计算每个设计单元的功耗。(2)累加各个设计单元的功耗。由于CMOS电路的动态功耗很大程度上取决于电路的翻转频率,所以XPower采用如下公式计算单个设计单元的功耗[M]:

    • XPower用户界面

    XPower的启动方法有两种:一种是单独启动XPower,直接点击“开始” “程序” “Xilinx ISE 9.1i” “Accessories” “Xpower”即可启动;另一种是在工程经过布局布线后,在过程管理区双击“Implementation” “Place and Router” “Analyze Power (XPower)”,则打开XPower,并自动加载当前工程。在例M的工程中,采用后一种方法打开XPower,其用户界面如图4-54所示。

     

    图4-54 XPower的启动


    XPower的用户界面由菜单栏、工具栏、功耗结果显示窗口、表格分析窗口、浏览窗口、信息显示窗口以及状态栏等部分组成。

    在ISE过程管理区,双击“Generate Power Data”命令将自动生成设计的功耗分析报告,再双击“View XPower Report”命令来阅读报告。典型的分析报告(例M的功耗分析报告)如图M所示。报告会给出各个电压相应的电流大小以及功耗,便于设计人员设计相应的电源模块。



    图4-55 典型的Xpower分析报告

    • XPower的操作流程

    要准确利用XPower来分析功耗,关键是确定信号的工作频率、信号翻转率以及输出负载等参数。XPower允许设计人员任意修改工作频率、信号翻转以及负载等参数,以便观察某一参数对功耗的影响。此外,XPower支持VCD文件格式,可得到最全面的信号翻转信息,减少手工输入信号翻转信息的繁琐操作,提高功耗分析的效率和正确性。典型的XPower使用流程如下:

    <1> 打开XPower软件,选择“File”菜单下的“Open”命令,则会弹出如图M的对话框。其中“Design File”栏用于输入设计文件,其后缀为.ncd;“Physical Constraints File”栏用于输入物理约束文件,其后缀为.pcf;“Setting File”栏用于输入设置文件,其后缀为.xml;“Simulation File”栏用于输入仿真后的输出文件,其后缀为.vcd。显示类型(View Types)分为Types类型(分类视窗)和Hierarchical类型(分层视窗)两类视窗模式。



    图4-56 XPower打开文件对话框


    <2> 选中图M中的“Launch New Design Wizard”参数,点击“OK”按键,启动设计向导,弹出如图M所示的对话框。

     

    图4-57 设计向导对话框


    单击图M中的“下一步(N)”按键,进入参数配置窗口,整体分为4个步骤。第1个步骤的界面如图M所示。



    图4-58 XPower向导第1步


    其中,“Voltage Source”用于设置FPGA芯片的电源参数,包括核电压、辅助电压以及IO端口参考电压,根据所选的器件输入相应的数值,一般选用默认值即可;“Battery Capacity and Battery Life”栏用于设定电池的容量和寿命,如输入电池容量为1000mAH,则会自动给出电池的使用寿命为3.02小时;“Thermal”栏用于设定温度参数,“Ambient”用于设定环境温度,“Air”设定空气对流强度。

    <3> 点击图M的“下一步(N)”按键,进入设计向导第2步,设置各个信号的工作频率,包括同步信号和异步信号,其界面如图M所示。选中相应的信号,在“Frequency”文本框中输入大小,并选择合适的单位,单击“Apply”按键确认,也可点击“Reset”按键复位到初始值。

     

    图4-59 XPower向导第2步

    <4>点击图M的“下一步(N)”按键,进入设计向导第3步,设置信号的输出负载电容,其界面如图M所示。选择信号后,输入电容大小,单击“Apply”按键确认,也可以单击“Reset”按键复位到初始值。

     

    图4- 60XPower向导第3步


    <5> 点击图M的“下一步(N)”按键,进入设计向导第4步,设置信号的直流电流负载,其界面如图M所示。选择信号后,输入电流大小,单击“Apply”按键确认,也可以单击“Reset”按键复位到初始值。此时,确认无误后,可点击“Finish”按键完成设计向导,如有错误,可单击“上一步(B)”返回到先前界面进行修改。

     


    图4-61 XPower向导第4步


    <6> 单击XPower软件的“File”菜单下的“Open Setting File…”命令,可加入设置文件;再选择“Open Simulation File…”命令,加入仿真工具生成的.vcd文件。选择相应的约束文件后,XPower会在信息提示窗口给出加载成功的指示信息。
    等加载完约束文件后,可点击浏览器窗口的“Report Views” “Power Report(HTML)”,察看设计功耗分析结果,其界面如图M所示。

     

    图4-62 XPower输出结果

    • VCD文件

    在 XPower功耗分析过程中,为保证功耗分析报告基本符合实际情况,应该准确设置功耗分析参数。在XPower中,用户可以手工设置功耗分析参数,也可以通过读入VCD文件自动设置功耗分析参数。利用 VCD文件设置功耗分析参数可以使当前设计的信号翻转频率、输出负载等参数更符合实际情况。在使用ModelSim进行仿真时,VCD文件不是默认的输出文件,用户需要在仿真过程中指定输出相应的VCD文件。其中,仿真Verilog HDL 设计文件时,需要在Testbench文件中加入适当语句,如下所示:

    initial begin
    // design.VCD表示将要生成的VCD文件名
    $dumpfile("design.VCD");
    //testbench表示测试名称,uut表示待测试的模块名称
    $dumpvars(1, testbench.uut);
    end

    仿真VHDL设计文件时,需要在DO文件中加入适当语句,如下所示: 
    --design.VCD表示将要生成的VCD文件名;
    .VCD file design.VCD
    -- testbench表示测试名称,uut表示待测试的模块名称
    .VCD add testbench /uut/*

    3.简易的功耗分析方法

    Xilinx提供了两种基于电子数据表和基于网站的简易功耗估计工具:一种叫做Web Power Tools,另一种是XPower估计器。Web Power Tools和XPower估计器可通过http://china.xilinx.com/products/design_resources/power_central/获得,二者都提供了根据逻辑利用率大概估计做出的功耗估算,其区别在于:Web Power Tools基于网站,用于早期芯片的功耗评估,支持Virtex-II Pro、Virtex-II以及Virtex/Virtex-E系列芯片;XPower估计器基于电子数据表格,支持Virtex5、Virtex-4、Spartan-3A DSP、Spartan-3A/3AN、Spartan-3E以及Spartan-3等较新系列芯片。

    Xilinx会自动更新各个系列芯片的电子数据表格,用户下载相应的电子数据表格时,可看到最后一次更新的时间。这两种简易功耗评估工具可以仅凭设计利用率估计就能获得初步的功耗评估,而无需实际设计文件,是在设计流程的早期获得器件功耗情况的最快捷和最方便的方法。此外简易功耗评估工具不需要安装,只需要拥有互联网连接和Web浏览器,将电子表格下载到本地即可。

    1)XPower估计器的用户界面

    每款型号所对应的XPower估计器的电子数据表格是不同的,下面以Virtex-4系列芯片的电子表格为例进行介绍。将网站上相应的电子数据表格下载到本地后,用OFFICE系列的Excel工具打开后,其界面如图4-63所示。



    图4-63 Virtex系列芯片的XPower估计器

    从图4-63中可以看出,XPower评估器可分为不同的页面,包括Summary页面、CLOCK页面、LOGIC页面、IO页面、BRAM页面、DCM页面、PMCD页面、DSP页面、PPC页面、MGT页面、EMAC页面、Graphic页面以及Release页面。其中,主界面处输出最终结果,可分为芯片栏、热量信息栏、热量总结栏、注释栏、块总结栏、功率总结栏、电压源总结栏以及交互操作区域组成。其中,不同的颜色表明了用户可进行的操作,详细说明如表4-2所列。

    表4-2 电子表格颜色说明

    在Release页面可以查看电子表格的更新版本记录,如本书所用的电子表格版本为9.1.02,更新时间为2007-04-23,其相关信息如图4-64所示。



    图4-64 Virtex系列芯片的XPower估计器

    2)XPower估计器的使用流程

    XPower估计器的使用方法非常简单,设计人员直接在各个分页面输入相应的资源利用率和时钟频率,然后回到Summary页面,就可以看到各个电压的电流值,并得到FPGA的工作功率和工作温度。下面以XC4VSX35-12芯片的设计为例,介绍XPower估计器的使用方法。

    例4-4 使用XPower估计器预算XC4VSX35-12应用的功耗。

    1. 双击打开XPower估计器,在Summaty页面的Device栏的Part选项的下拉框中选择“XC4VSX35”、Package选项选择“FF668”、Grade选项选择“industrial”、Process选项选择“Typical”、Steeping选项选择“Steeping1”,如图4-65所示。同时,将Thermal Information栏选择默认值。



    图4-65 XPower估计器的芯片配置界面

    2. 由于Virtex-4族的SX系列芯片没有PowerPC、MGT(吉比特收发器)以及EMAC(以太网接口)控制器,所以只需要设定时钟、逻辑、IO、BRAM、DSP以及DCM即可。XPower估计器只是粗略预算,所以在输入以上指标,应预留15%的裕量,即所有值按照真实值的115%输入。在时钟栏输入所有可能用到的时钟,并给出其扇出(Fanout)大小(一般设定为10即可),本例中,输入了270MHz、120MHz以及60MHz这3个频率的全局时钟,如图4-66所示。



    图4-66 XPower估计器的时钟配置界面

    在逻辑页面,输入a、b、c三个模块,分别工作于不同的频率,并给出了其大致的逻辑资源和平均扇出,如图4-67所示。



    图4-67 XPower估计器的逻辑配置界面

    在IO页面,输入各个模块的端口数(注意:这里的端口是直接引到顶层模块,和芯片管脚所对应的端口数),选择工作电平标准以及工作频率等参数,本例的配置如图4-68所示。



    图4-68 XPower估计器的IO配置界面

    接下来配置BRAM页面,需要输入BRAM各个端口的位宽、速率、数量以及应用类型(包括BRAM、FIFO以及ECC等类型),本例的BRAM使用状况如图4-69所示。



    图4-69 XPower估计器的BRAM配置界面

    在DCM的配置页面中,填入所使用的DCM时钟的频率即可,本例用到了270MHz、120MHz以及60MHz这3个DCM输出,如图4-70所示。



    图4-70 XPower估计器的DCM配置界面

    最后需要配置的是DSP模块,本例只在a模块中使用了48个DSP模块,工作在270MHz,因此配置界面如图4-71所示。



    图4-71 XPower估计器的DSP配置界面

    配置完后,点击Graphic页面,可以看到功耗随设计的逻辑功能、电压、电压过程温度以及工作环境温度的变化曲线,如图4-72所示。可以看到,本设计的逻辑所占功耗非常高,而大量的BRAM和DSP的功耗相对比较低。因此在设计中,应尽量使用芯片内部的硬核组件以降低功耗。



    图4-72 XPower估计器的图形化分析结果

    完成上述过程后,返回到Summary页面,可以得到所有的功耗汇总结果,以及不同电压的电流大小,为系统的电源模块设计提供大致的参考范围,如图4-72所示。总的功耗为3.193W,1.2V核电压的工作电流大致为2.5A(1.941A+2.028A)。

    式中,P 表示功耗,单位是mW;C表示电容,单位是F;V表示电压,单位是V;E表示翻转频率,指每个时钟周期的翻转次数;f表示工作频率,单位是Hz。在XPower中,翻转频率既可以采用全局默认的翻转频率,也可以通过VCD文件获得。另外,XPower允许手工输入各个设计单元的翻转频率。

    在XPower功耗分析过程中,主要涉及NCD文件、CTX文件、PCF文件、VCD文件和PWR文件。其中,NCD文件是经过实现的FPGA设计文件;CTX文件是经过物理实现(FIT)的CPLD设计文件;PCF文件是物理设计约束文件,该文件包含当前设计的时钟频率、电压等特性参数;PW R文件是XPower的功耗分析报告;VCD文件是对当前设计进行仿真后生成的文件,该文件包含了每个设计单元的翻转频率。

    2.XPower的用户界面以及使用流程

    XPower是一种设计后工具,用于分析实际器件利用率,并结合实际的适配后(post-fit)仿真数据(VCD文件格式),给出实际功耗数据。利用Xpower,您可以在完全不接触芯片的情况下分析设计改变对总功耗的影响。

    转自:http://bbs.eccn.com/viewthread.php?tid=93673&extra=&page=2

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