無線傳感器節(jié)點(diǎn)SoC事務(wù)級功耗仿真器設(shè)計(jì)

劉 瑋，李翔宇，殷樹娟

（1.清華大學(xué) 微電子學(xué)研究所，北京100084；2.北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院，北京100192）

0 引 言

近年來，無線傳感器越來越廣泛的利用在環(huán)境監(jiān)測、軍事偵查、目標(biāo)定位等領(lǐng)域，因此相關(guān)領(lǐng)域的研究也引起了廣泛關(guān)注，并且發(fā)展非常迅速［1］。隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，人們已經(jīng)提出系統(tǒng)芯片即SoC作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［2］。這樣復(fù)雜的系統(tǒng)對設(shè)計(jì)自動化的要求越來越高，為了提高SoC集成電路的設(shè)計(jì)效率，往往采用基于高層次的設(shè)計(jì)方法［3］。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有低功耗、低成本、使用壽命長等特點(diǎn)［4］，其中功耗優(yōu)化是無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的重要課題。為了使節(jié)點(diǎn)有更長的使用壽命，采用由太陽能電池等能量采集器件配合儲能電池的電源形式［5］，這是一項(xiàng)具有吸引力的供電方式。如何在有限和實(shí)時變化的能量供給下，通過調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)度任務(wù)，使系統(tǒng)的能量利用率最高，這個問題是近年來相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

目前，無線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仿真器多用于功能模擬［6］，缺少對系統(tǒng)的功耗行為進(jìn)行仿真的快速仿真器。而帶有功耗管理的異質(zhì)多核架構(gòu)使系統(tǒng)的功耗問題變得越來越復(fù)雜，能夠執(zhí)行的任務(wù)復(fù)雜度也越來越高。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)SoC設(shè)計(jì)中存在的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功耗問題和任務(wù)調(diào)度優(yōu)化問題研究，本文提出一個利用SystemC搭建的異質(zhì)多核傳感器節(jié)點(diǎn)SoC仿真器，它面向本課題組提出的傳感器節(jié)點(diǎn)SoC架構(gòu)，對系統(tǒng)任務(wù)的運(yùn)行時間和功耗行為進(jìn)行事務(wù)級建模，使我們能夠評估片上系統(tǒng)功耗情況，使系統(tǒng)的功耗和性能優(yōu)化。

1 目標(biāo)異質(zhì)多核SoC平臺結(jié)構(gòu)

1.1 異質(zhì)多核傳感器節(jié)點(diǎn)SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的目標(biāo)是搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)片上系統(tǒng)的高層次仿真器，采用SystemC面向?qū)ο蟮姆绞剑枋鲇布軜?gòu)和軟件行為，用于本課題提出的一種異質(zhì)多核傳感節(jié)點(diǎn)SoC結(jié)構(gòu)的任務(wù)調(diào)度和功耗管理方法研究。

目標(biāo)SoC的結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了充分降低SoC的功耗，同時滿足對工作性能的要求，平臺中提供了用于實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)功能的不同實(shí)現(xiàn)方式的功能單元，既有通用處理器、又有專用的協(xié)處理器、硬件加速引擎，所以是一個異質(zhì)多核的系統(tǒng)。每個功能單元一般提供幾種工作模式——對應(yīng)不同的工作頻率和電源電壓，單元在不同工作模式下具有不同的功耗和性能。除此之外，系統(tǒng)內(nèi)還配備了運(yùn)行任務(wù)調(diào)度和功耗管理程序的調(diào)度控制器，這也是目標(biāo)架構(gòu)中的關(guān)鍵特殊IP。功能單元之間通過普通的片上總線互連，調(diào)度控制器則通過控制總線和所有受控功能單元連接，進(jìn)行命令和消息的交換。需要建模的硬件對象除了上述單元外，還有傳感器輸入、通信模塊、存儲器、總線等。

圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)異質(zhì)多核SoC仿真器整體架構(gòu)

1.2 異質(zhì)多核傳感節(jié)點(diǎn)SoC的任務(wù)調(diào)度和功耗管理

為了不讓能量問題制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)展，本論文研究的節(jié)點(diǎn)能量單元普遍采用從工作環(huán)境中采集能量，工作時功耗管理的目標(biāo)是適度利用實(shí)時采集到的能量，使得系統(tǒng)能量能夠滿足系統(tǒng)永久的工作 （在硬件資源能夠維持工作的條件下）［7］。

對在節(jié)點(diǎn)SoC運(yùn)行的程序進(jìn)行基于功耗管理的任務(wù)調(diào)度，這里任務(wù)是指在一個功能單元上完成的最大化的相連操作的集合，是構(gòu)成應(yīng)用程序的基本組件，也是調(diào)度的基本單位。與單核系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度不同，多核系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度存在任務(wù)分配、調(diào)度、仲裁及負(fù)載均衡問題［8］，本論文研究的異質(zhì)多核傳感節(jié)點(diǎn)SoC通過靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度相結(jié)合的方式，靜態(tài)調(diào)度是指首次分配方案，主要用在初始化平臺。動態(tài)調(diào)度是指，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)能量消耗和實(shí)時能量采集情況，運(yùn)行動態(tài)調(diào)度算法，算法調(diào)度結(jié)果是將每個任務(wù)分配到適合的執(zhí)行單元，確定執(zhí)行單元的功能、工作模式、工作時間，使得所有任務(wù)都滿足時間約束、硬件資源約束和功耗約束。

本文仿真器用來模擬在給定任務(wù)調(diào)度和功耗管理方法下，系統(tǒng)中各個任務(wù)執(zhí)行過程的時間和功耗信息，從而能對設(shè)計(jì)模塊和模塊工作模式的選擇做出評估，因此需要考慮實(shí)時能量供給情況、實(shí)時任務(wù)請求情況對系統(tǒng)的影響——既包含能量供給模型、任務(wù)請求模型。

2 事務(wù)級建模方法

2.1 不同模塊類的劃分和實(shí)現(xiàn)

采用面向?qū)ο蟮姆绞绞紫纫獙ο到y(tǒng)中各類軟硬件事物進(jìn)行類的定義和劃分，將系統(tǒng)不同模擬對象抽象成不同的類，在事務(wù)級層面上，刻畫出我們關(guān)心的特性。根據(jù)刻畫事物的不同屬性，定義仿真器基本類，主要包含3種類型：實(shí)體類、功能類和信息類。

實(shí)體類對應(yīng)系統(tǒng)中各類硬件模塊的實(shí)體，包含處理器類、存儲器類、控制器類和互聯(lián)類4個基類。在用SystemC建模中，每個實(shí)體類可以刻畫成一個模塊，通過進(jìn)程、通道、端口來模擬模塊的行為［9］。關(guān)于處理器單元的功能，由于具體功能對于系統(tǒng)的功耗和延時分析沒有影響，因此在本模型中不進(jìn)行無關(guān)的功能描述。建立抽象通用處理器類作為各種處理器單元的父類，通用處理器類、專用處理器類、可重構(gòu)處理器類都是它的子類，將繼承了父類中刻畫的處理器的基本屬性，并添加模型需要的新屬性，如可重構(gòu)處理器需要添加功能屬性和重構(gòu)方法。

仿真器模擬目標(biāo)是對節(jié)點(diǎn)SoC進(jìn)行功耗、延時評估，據(jù)此，我們定義處理器模塊的基本屬性參數(shù)有工作模式、功耗、功能、速度。不同工作模式代表不同工作電壓、時鐘頻率，功能標(biāo)記處理器能夠執(zhí)行的不同操作，速度代表性能。處理器類的成員函數(shù)刻畫處理器行為，如初始化函數(shù)initialization（）、配置函數(shù) be＿config（）、工作函數(shù)process（）。處理器的主進(jìn)程是SC＿THREAD類型，當(dāng)處理器上電或收到重置信號時，執(zhí)行初始化，即設(shè)定處理器的工作模式和功能參數(shù)。當(dāng)接收到調(diào)度器發(fā)送的配置命令時，執(zhí)行配置函數(shù)，按配置信息設(shè)置處理器工作模式、功能參數(shù)。當(dāng)接收到調(diào)度控制器發(fā)來的工作命令時，處理器執(zhí)行工作函數(shù)。工作函數(shù)的主要用處是觸發(fā)單元間的數(shù)據(jù)讀寫操作、操作按照功能執(zhí)行的時序觸發(fā)，模擬處理器的行為。處理器工作延時則是根據(jù)處理器當(dāng)前功能和工作量決定的，即工作延時為功能和工作量 （任務(wù)的屬性）的乘積。雖然刻畫的仿真器沒有包含處理器功能模擬功能，但是通過重載處理器執(zhí)行工作函數(shù)process（），用其描述單元的功能，即可以實(shí)現(xiàn)事務(wù)級的功能模擬。

存儲器類，刻畫系統(tǒng)中共享存儲器模塊，定義了一系列讀寫數(shù)據(jù)接口 （sc＿interface）描述存儲器行為，如read（），write（）等函數(shù)，可以方便實(shí)現(xiàn)對存儲器的讀寫操作。存儲器的屬性是起始地址、結(jié)束地址，刻畫存儲器的大小，成員函數(shù)read（）執(zhí)行讀取給定的地址的數(shù)據(jù)，如果當(dāng)前存儲器為空，則停止讀操作。而write（）函數(shù)根據(jù)給定地址寫數(shù)據(jù)，如當(dāng)前存儲器為滿，則寫操作停止。

控制器類是調(diào)度控制器及其運(yùn)行的軟件的功能模型，仿真器需要對調(diào)度控制器進(jìn)行功能建模，使其擁有運(yùn)行調(diào)度和功耗管理算法與生成對各個處理器單元、互聯(lián)控制和管理的調(diào)度信息的功能?？刂破黝惸M控制器功能，主要完成以下3種功能：第一，可以描述實(shí)時能量采集、電池剩余電量模型；第二，使基于信息感知的能量動態(tài)調(diào)度算法能夠在控制器內(nèi)運(yùn)行；第三，能夠?qū)⑺惴▽?shí)現(xiàn)的調(diào)度信息發(fā)送給指定的處理器。

對于功能一的實(shí)現(xiàn)，定義平臺屬性參數(shù)：實(shí)時獲得的能量，能量消耗，儲能電池的當(dāng)前電量等電池參數(shù)，這些參數(shù)能夠反映一個實(shí)時能量采集的SoC系統(tǒng)的能量供給情況。對于功能二，定義動態(tài)調(diào)度算法函數(shù)，由主進(jìn)程調(diào)用。函數(shù)的基本輸入是剛才定義的平臺屬性參數(shù)和實(shí)時的能量信息、電池電量信息、任務(wù)請求，還有預(yù)先建立的功耗預(yù)測數(shù)據(jù)，基本輸出是當(dāng)前時間步的調(diào)度結(jié)果，即每個任務(wù)在指定處理器上的工作模式、運(yùn)行時間。對于功能三，定義發(fā)送調(diào)度信息函數(shù)，將函數(shù)分為兩類，一類是處理器配置命令發(fā)送函數(shù)send＿config（T），配置信息用一個結(jié)構(gòu)體描述，其中包含了將要傳輸給處理器的工作模式、功能參數(shù)。另一類是調(diào)度命令send＿process（），調(diào)度信息同樣用結(jié)構(gòu)體描述，包含讀寫數(shù)據(jù)的地址、工作量參數(shù)。

仿真器還需要對通信操作進(jìn)行功能模擬，因?yàn)橥ㄐ挪僮鲿鸹ヂ?lián)部分和其它單元的動作和狀態(tài)變化，通信模擬的方法是構(gòu)建總線模型，對總線進(jìn)行功能描述?；ヂ?lián)類是抽象總線模型，對總線的功能進(jìn)行描述，下節(jié)將會對總線建模做詳細(xì)介紹。

信息類，是對系統(tǒng)中抽象信息進(jìn)行定義，其中包括模塊之間傳遞的各類數(shù)據(jù)、消息、命令，和仿真器調(diào)度的任務(wù)、程序。系統(tǒng)在交易級建模，因此模塊之間的信息交互是在命令層次上。定義模塊之間傳遞的命令、消息和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 （struct），便于修改和規(guī)范化設(shè)計(jì)。控制器發(fā)給處理器的配置命令的屬性是傳遞執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)先級、工作周期和處理器的工作模式、功能。數(shù)據(jù)命令的屬性是傳遞數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)地址，但不包括具體數(shù)值——只是記錄數(shù)據(jù)的通信開銷。消息的屬性是各個處理器反饋回來執(zhí)行任務(wù)的功耗、時間參數(shù)。任務(wù)是調(diào)度的基本單位，程序是最大化的彼此相連的一組任務(wù)，任務(wù)也定義為結(jié)構(gòu)體，屬性有任務(wù)類型標(biāo)識，在每個處理器的每種工作模式下的等效工作量——可以反映任務(wù)在功能單元上的執(zhí)行效率。程序信息則以任務(wù)流圖的形式存儲。

仿真器的功能類，主要是系統(tǒng)工作信息的跟蹤器，記錄系統(tǒng)工作時用戶關(guān)心的功耗、時間信息，給用戶提供系統(tǒng)工作報告。首先實(shí)現(xiàn)跟蹤器記錄系統(tǒng)信息的功能，定義讀取函數(shù)，只要處理器的工作模式、功能、狀態(tài)3個參數(shù)中任意一個參數(shù)發(fā)生改變，跟蹤器就記錄當(dāng)前系統(tǒng)中每個模塊的狀態(tài)。其次，跟蹤器記錄系統(tǒng)總線的延時情況，總線根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量不同延時不同計(jì)算傳輸功耗和通信時間。最后，實(shí)現(xiàn)跟蹤器給用戶匯報系統(tǒng)功耗、時間信息的功能。當(dāng)處理器返回工作模式值時，跟蹤器通過查表得到處理器當(dāng)前模式下的功耗，系統(tǒng)的總功耗則是通過每個模塊的平均功耗相加得到。這樣跟蹤器就可以向用戶提供SoC的功耗、時間信息。

2.2 總線模型

對總線進(jìn)行事務(wù)級建模，兩模塊之間的一次數(shù)據(jù)或者事件的傳輸，模塊間通信通過函數(shù)調(diào)用來進(jìn)行［10］。模塊之間的通信通過分層通道 （channel），通道連接口 （interface），模塊通過端口 （port）連接到通道，如圖2所示。

圖2 接口、通道、端口的連接

整個仿真器采用兩套總線模型，一個是仿真器平臺各模塊之間聯(lián)系的功能總線，另一個是直接傳輸控制器調(diào)度結(jié)果給處理器的控制總線。從片上總線的角度來看，主要功能單元是總線主設(shè)備、總線從設(shè)備、仲裁器，如圖3所示。主設(shè)備是指能夠向總線發(fā)請求的模塊，根據(jù)本設(shè)計(jì)要求將其分成3種類型，命令型主設(shè)備、數(shù)據(jù)型主設(shè)備、直接型主設(shè)備，每一種主設(shè)備有唯一的優(yōu)先級。其中，命令型主設(shè)備主要特征是傳輸數(shù)據(jù)字和操作指令，模塊處理器類為命令型設(shè)備。數(shù)據(jù)型主設(shè)備的主要特征是傳輸數(shù)據(jù)塊，對大塊數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)字信號處理器、ASIC類模塊為數(shù)據(jù)型主設(shè)備。而一些調(diào)試模塊則定義成為直接型主設(shè)備。

不同主設(shè)備通過不同接口和總線進(jìn)行通信，命令型接口要實(shí)現(xiàn)兩種操作：讀命令操作和寫命令操作，讀寫函數(shù)每次操作一個數(shù)據(jù)字。讀寫完立即返回狀態(tài)函數(shù)get status（）。接口讀寫函數(shù)中包含鎖定lock信號，如果lock＝true，則表示總線下一個請求鎖定在同一個主設(shè)備，如圖4所示命令型接口定義的成員函數(shù)。

圖3 基于總線整體架構(gòu)

圖4 命令型接口類定義

數(shù)據(jù)型接口也定義了兩種操作：成組讀操作和成組寫操作。通過端口調(diào)動總線的成組讀寫操作，形成一次數(shù)據(jù)塊讀寫交易，在成組模式下的鎖定lock信號，主要有兩個功能：一是總線下一個請求鎖定在同一個主設(shè)備，二是總線通信不能被打斷。如圖5所示數(shù)據(jù)型接口類定義。

圖5 命令型接口類定義

直接型接口同樣定義了兩種操作：直接讀總線操作和直接寫總線操作，不用仲裁，不用遵守總線協(xié)議。主要用于軟件程序調(diào)試模塊，如圖6所示直接型接口類定義。

圖6 所示直接型接口類定義

從設(shè)備是指能夠?qū)偩€請求做出響應(yīng)的模塊，典型的從設(shè)備主要指的是存儲器類模塊。從設(shè)備接口描述了總線和從設(shè)備之間的通信。根據(jù)不同的主設(shè)備的定義，對從設(shè)備收到總線請求，對應(yīng)有3種不同的響應(yīng)，讀寫命令操作讀取指定的數(shù)據(jù)字或命令，成組讀寫操作能夠讀寫數(shù)據(jù)塊，調(diào)試程序接口函數(shù)為調(diào)試提供接口，如圖7所示。

圖7 從設(shè)備接口類定義

平臺各模塊之間聯(lián)系的總線，是多對多的連接，所以在數(shù)據(jù)、命令傳輸過程中會產(chǎn)生沖突，因此單獨(dú)刻畫了仲裁器模塊。總線通道定義一個特定的通道和接口方法arbitrate（）函數(shù)，總線仲裁器能夠直接連接到總線，仲裁器類 （通道）具體實(shí)現(xiàn)通過繼承仲裁器接口定義的arbitrate（）函數(shù)，完成判定優(yōu)先級的操作。仲裁器被連接到總線通道中專門定義的一個端口，總線可以通過特定端口訪問仲裁器。仲裁規(guī)則是依據(jù)優(yōu)先級和鎖住 （lock）兩個信號判斷執(zhí)行優(yōu)先級。

直接傳輸調(diào)度控制器的總線，直接向主設(shè)備傳輸調(diào)度結(jié)果，不會出現(xiàn)沖突，直接用簡單的握手協(xié)議通道類進(jìn)行刻畫。

2.3 功耗建模

實(shí)際SoC系統(tǒng)芯片的功耗和輸入數(shù)據(jù)有依賴關(guān)系，系統(tǒng)程序的具體操作和實(shí)際的數(shù)據(jù)輸入有關(guān)，即實(shí)際數(shù)據(jù)輸入會影響模塊整體的功耗。因?yàn)楣姆抡娌荒苊撾x功能仿真，如果對系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真，仿真速度慢，設(shè)計(jì)周期長［11］。因此，本文采用了功耗仿真和功能仿真分離的架構(gòu)，一方面通過單純的功能仿真器 （可按軟件實(shí)現(xiàn)，但是功能劃分要與硬件實(shí)現(xiàn)的功能劃分一致）對系統(tǒng)的功能仿真，記錄特定輸入數(shù)據(jù)下的操作軌跡，其中包括了數(shù)據(jù)相關(guān)分支處的分支條件判斷結(jié)果。仿真器每個涉及數(shù)據(jù)相關(guān)分支的功能單元的process（）函數(shù)中都包含分支判斷語句，功耗仿真時，仿真器根據(jù)記錄的操作軌跡中的判斷結(jié)果選擇相應(yīng)的分支運(yùn)行，從而得到相應(yīng)的延時、輸入輸出數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)功耗仿真。

采用功能仿真和功耗仿真分離的架構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，實(shí)現(xiàn)簡單，功耗仿真器中不需要進(jìn)行復(fù)雜的功能描述，而功能可以按照軟件實(shí)現(xiàn)的方式描述，可以快速建模；第二，仿真速度快，因?yàn)楣姆抡婧凸δ芊抡娴某绦蚨嫉玫搅撕喕虼丝梢蕴岣叻抡嫠俣?，而且在對前一條操作軌跡進(jìn)行功耗仿真的時候，可以同時運(yùn)行后面輸入數(shù)據(jù)的功能仿真；第三，提高了功耗仿真器的通用性，因?yàn)楣姆抡嫫髋c被仿真系統(tǒng)的功能之間的耦合降低了，因此，當(dāng)系統(tǒng)功能改變，功耗仿真器程序僅需進(jìn)行很少改動。

2.4 仿真器設(shè)計(jì)

利用仿真器基本類搭建節(jié)點(diǎn)SoC系統(tǒng)，方法如下：第一，功能單元進(jìn)行實(shí)例化，每個功能單元都是多重繼承類的對象，繼承處理器或存儲器的屬性，同時根據(jù)總線系統(tǒng)中的角色繼承主或從設(shè)備接口，并和總線端口連接，使主設(shè)備能夠向總線發(fā)送請求；第二，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，連接各個模塊，檢查調(diào)度器、跟蹤器的連接，使其系統(tǒng)能夠正常通信；第三，對任務(wù)、程序等軟件內(nèi)容的實(shí)例化，對將要完成的程序生成靜態(tài)調(diào)度方案，確定每個任務(wù)分配給適合的處理器，處理器完成任務(wù)的工作模式、功能、數(shù)據(jù)量，確定系統(tǒng)實(shí)時能量采集和電池電量，編寫動態(tài)調(diào)度算法程序嵌入到控制器的算法函數(shù)中。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用仿真器搭建測試SoC，系統(tǒng)由3個主設(shè)備、兩個從設(shè)備構(gòu)成，3個主設(shè)備分別是數(shù)據(jù)型、命令型、直接型主設(shè)備，兩個從設(shè)備為全局存儲器，如圖8所示。

圖8 仿真器搭建平臺

已知3種主設(shè)備運(yùn)行不同任務(wù)的功耗、將要執(zhí)行的任務(wù)流圖，測試任務(wù)主要是讓3種主設(shè)備完成從存儲器讀寫數(shù)據(jù)，最后平臺回到空閑狀態(tài)。調(diào)度控制器根據(jù)實(shí)時能量供給產(chǎn)生調(diào)度結(jié)果跟蹤器記錄系統(tǒng)能量——時間信息，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)功耗——時間

4 結(jié)束語

功耗分析是傳感節(jié)點(diǎn)芯片設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，目前缺少適用的高層次SoC功耗仿真器，本文介紹了一種基于SystemC的傳感節(jié)點(diǎn)SoC的功耗行為事務(wù)級仿真器構(gòu)成方法，該仿真器因?yàn)楸M量減少對功能的描述，采用事務(wù)級建模，具有程序簡單、運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)。用該仿真工具對一個異質(zhì)多核傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了建模仿真、功耗評估，縮短系統(tǒng)開發(fā)的時間。

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