Measurement platform for Instruction-Level Energy Modeling

Abstract

Energy efficiency is a rising concern in today's society and also affects information technology and software. This concern becomes highlighted in battery powered embedded systems like portable multimedia and smart devices as the available energy is limited. Energy efficiency in information technology is often thought as energy-efficient hardware although it should rather be thought as a joint effort between hardware and software. The energy consumption of hardware depends on what software is running on top of it and how that software uses the hardware. Reciprocally, the software energy consumption depends on the energy efficiency of the hardware. Instruction-level energy models are used for analysing and optimising the energy efficiency of software. The models in turn rely on accurate measurements of energy consumed by individual machine instructions.

Low-energy processors are usually used in embedded systems. Measuring their energy consumption is a challenging task, due to the small currents and noise. It is a challenge to develop a measurement platform for conducting accurate measurements as well as minimising the noise affecting the measurements.

In this thesis, four different circuits were examined to assess their suitability for a measurement platform. A printed circuit board was designed and constructed in order to identify and investigate solutions concerning the challenges in designing such a platform. Within this process a suitable processor was selected to act as the measurement target. A survey of low-energy processors targeted at embedded systems was conducted as part of this work. As a result a prototype measurement platform was constructed.

Energiatehokkuus on kasvava huolenaihe nyky-yhteiskunnassa ja koskettaa myös tietotekniikkaa ja ohjelmistoja. Tämä korostuu erityisesti akkukäyttöisissä sulautetuissa järjestelmissä, kuten kannettavissa medialaitteissa ja älylaitteissa, joissa käytettävän energian määrä on rajattu. Energiatehokkuuden tietotekniikassa ajatellaan yleisesti viittaavaan energiatehokkaaseen laitteistoon, vaikka itse asiassa pitäisi puhua pikemminkin laitteiston ja ohjelmiston yhteispelistä. Laitteiston energiankulutus riippuu laitteiston päällä ajettavasta ohjelmistosta ja tavasta, miten ohjelmisto laitteistoa käyttää. Vastavuoroisesti ohjelmiston energiankulutus riippuu laitteiston energiatehokkuudesta. Ohjelmiston energiatehokkuuden analysointiin ja optimointiin käytetään konekäskytason energiamalleja. Mallit puolestaan perustuvat tarkkoihin mittauksiin yksittäisten konekäskyjen käyttämästä energiasta.

Sulautetuissa järjestelmissä käytetään yleisesti energiapihejä prosessoreita. Niiden energiankulutuksen mittaaminen on haasteellista pienten virtojen ja ulkoisten häiriöiden takia. Haasteena on sellaisen mittausalustan kehittämien, jolla mahdollistetaan tarkat energiamittaukset ja minimoidaan mittauksiin vaikuttavat häiriötekijät.

Työssä tutkittiin neljän eri virtapiirin soveltumista mittausalustaksi. Tämän lisäksi suunniteltiin ja valmistettiin piirilevy suunnitteluun liittyvien ongelmien tunnistamiseksi ja ratkaisuvaihtoehtojen selvittämiseksi. Tähän liittyy myös oikeanlaisen mittauskohteen valinta. Samalla tehtiin kartoitus energiapiheistä prosessoreista, jotka on suunnattu sulautettuihin järjestelmiin. Lopputuloksena on rakennettu prototyyppi mittausalustasta.