Application analyses of ultra-low-energy processor

Abstract. Low energy consumption has become a critical design feature in modern systems. Internet of Things, wearables and other portable devices create increasing demand for low power design where device size is dictated by battery and low energy means longer battery life and smaller physical size. These are crucial features for wearables and especially implantable medical devices. There are several low power and energy efficient techniques which are applied at different abstraction levels of the system design. A technique usually utilizing software control and hardware features is DVFS (dynamic voltage and frequency scaling), a dynamic power management technique which decreases processor clock frequency and supply voltage. Reduction in energy consumption is achieved with the cost of reduced performance. One of the questions with DVFS is how the execution frequencies are defined. This thesis presents a method for frequency optimization for applications executed on a single core processor. Execution trace data is used to profile the application. FreeRTOS operating system is used although tracing can be implemented with any real-time operating system executing tasks as separate threads. Based on profiling and user-defined data, task execution frequencies are defined assuming that execution time scales linearly with the frequency. A near-threshold ARM Cortex M3 with integrated power management and phase-locked loop is used for measurements. The measurements show that energy savings can be achieved without affecting correct application execution. However, the reduction in energy consumption depends highly on the system used and the application execution profile. Iterative testing and frequency optimization are required to ensure adequate performance. For energy efficiency optimization, energy consumption needs to be considered in every phase of the design.Matalan energiankulutuksen prosessorin sovellusanalyysi. Tiivistelmä. Matala energiankulutus on keskeinen ominaisuus nykyisten järjestelmien suunnittelussa. Esineiden Internet ja puettava tietotekniikka luovat tarpeen yhä pienemmälle energiankulutukselle. Laitteen koko määräytyy akun koon mukana. Matala tehonkulutus tarkoittaa pidempää akunkestoa ja pienempää fyysista kokoa. Nämä ovat ratkaisevia ominaisuuksia, erityisesti implantoitaville lääkinnällisille laitteille. Energiatehokkuuteen ja matalaan energiankulutukseen tähtääviä menetelmiä voidaan soveltaa eri abstraktiotasoilla järjestelmän suunnittelussa. Dynaaminen jännitteen ja taajuuden skaalaus on menetelmä, millä pyritään alentamaan dynaamista tehonkulutusta säätelemällä käyttöjännitettä ja kellotaajuutta. Suorituskyvyn kustannuksella on mahdollista saavuttaa matalampi energiankulutus. Keskeinen kysymys on, miten käytettävät kellotaajuudet tulee määritellä. Tässä diplomityössä kehitetään menetelmä, jota voidaan käyttää optimaalisten kellotaajuuksien määrittämiseen. Suorituksen aikana kerättävää dataa käytetään ohjelman profilointiin ja optimointimallin luomiseen. Suoritusdatan kerääminen on kehitetty FreeRTOS-käyttöjärjestelmälle, mutta periaate on sovellettavissa käyttöjärjestelmille, joissa tehtävät suoritetaan erillisissä prosesseissa. Profilointidata hyödynnetään yhdessä käyttäjän syöttämän data kanssa kellotaajuuksien määrittämiseen olettaen, että suoritusaika skaalautuu lineaarisesti kellotaajuden kanssa. Suositustaajuudet määritetään jokaiselle prosessille erikseen. Mittauksissa käytettiin ARM Cortex M3 prosessoria integroidulla tehonhallinnalla ja vaihelukolla. Mittaustulokset osoittavat, että energiankulutusta voidaan pienentää vaikuttamatta sovelluksen virheettömään suoritukseen. Saavutettava hyöty tehonkulutuksessa on riippuvainen käytettävästä järjestelmästä ja sovelluksen suoritusprofiilista. Riittävä suorituskyky täytyy varmistaa iteratiivisella testaamisella ja kellotaajuuksien optimoinnilla. Tehonkulutus ja energiatehokkuus täytyy huomioida suunnitteluprosessin jokaisella osa-alueella, jotta parhaat tulokset saavutetaan