【MIPS -最适用于设计MCU的处理器】连载五:

4 性能基准
CoreMark™ 是由EEMBC®开发的一种专门针对处理器内核的性能测试而设计的开源基准。CoreMark架构把处理器内核与所有系统附属部件隔离开来,包括存储器子系统的影响和编译器的‘优化技巧’。CoreMark测试处理器流水线和常用功能的性能,包括读/写、整数和控制操作等。因此,相比其它基准,它能够针对处理器内核性能及功能性提供一个人为因素更少的、更接近实际水平的描述。

根据CoreMark网站的定义:“工作负载(workload)实际上包含了若干常用算法,如矩阵运算(允许使用MAC和常用数学运算)、链接表处理(常使用指针)、状态机处理(常使用数据相关分支)和循环冗余码校验(CRC是嵌入式结构中极为常用的函数)。”

图4 比较了从CoreMark网站上获得的基于MIPS M4K的MCU与基于ARM Cortex-M3 /M0的MCU的相关数据。

图4 M4K PIC32 的CoreMark测试结果,并与意法半导体(ST)及恩智浦半导体公司(NXP)的Cortex-M 器件相比较

图4 M4K PIC32 的CoreMark测试结果,并与意法半导体(ST)及恩智浦半导体公司(NXP)的Cortex-M 器件相比较

相比采用0等待状态存储器的基于Cortex-M3 及 Cortex-M0的竞争产品,基于M4K的PIC32 2采用2等待状态存储器工作,可获得比更高的CoreMark/MHz性能。从图4可看出,在相同时钟频率的条件下,PIC32的性能比Cortex-M3 STM 与 NXP解决方案(蓝色)高20-50%,比Cortex-M0 NXP解决方案(黄色)高63%以上。

5 低功耗与小外型设计
一个典型SoC中,处理器内核之外的存储器、外设和控制逻辑占用了大部分面积,其大部分功耗也来源于此。不过,除了最佳性能效率之外,MIPS科技还认识到,在微控制器设计中硅成本与功耗也是确保产品成功的关键指标。MIPS在处理器内核设计中整合了一些能够尽量减小面积和功耗的特殊特性,本节将描述其中一部分。因此,MIPS科技得以通过提供‘同类最佳’面积和功耗解决方案,进一步增强其在性能方面的领导地位,从下面几节对M4K 和 Cortex-M3的比较中可以清楚看到这一点。

5.1 可降低功耗的特性
M4K微型引擎的高性能优势使应用能够运行在更低的时钟频率下。功率与频率成正比,故随频率的减小,功率降低。从前面的分析我们可看到,M4K内核的处理性能至少比Cortex-M3高20%,这意味着它的功率效率(DMIPS/mW)也更好――亦即相同的任务所需的功率更低。M4K内核的高性能使它能够更快地完成任务,有更多的时间处于低功耗状态(空闲状态),从而有助于降低功耗。

M4K内核是一种可综合设计,能够在不同的低功耗工艺和库之间移植。该内核也是一种静态设计,允许在线时钟改变(根据需要改变到更低频率)。它甚至还支持时钟中止,这时功耗会降至μW数量级的极微水平(这种情况下,功耗主要源于工艺泄漏电流)。

M4K内核提供有好几项功率管理模式,通过使用精细度时钟门控技术并支持节电模式来对功率进行控制。M4K内核的功耗主要源于时钟逻辑与寄存器。M4K在整个内核上广泛采用时钟门控技术,由此提供一种可关断内核未用模块的高效机制。M4K内核还通过使用内部寄存器与特定WAIT指令控制,提供进入低功耗与睡眠模式的机制。当WAIT指令被执行时,内部时钟暂停,流水线冻结。任何中断或复位,都将使内核退出睡眠模式,恢复正常工作。

这些功率管理特性的高效实现,结合低功耗制造工具,有助于大幅度降低有功功耗。
表1比较了在180nm 和 90nm工艺条件下 M 4K 与 Cortex-M3的功耗。这里,M4K的工作频率减小以匹配Cortex-M3的最大时钟速度,它的功耗为在该频率下测得。

表1 M4K 与 Cortex–M3的速度/功耗比较

表1 M4K 与 Cortex–M3的速度/功耗比较

由表1可看出,在相同时钟频率下:
• 在180nm工艺下,利用速度优化配置,M4K的功耗只有Cortex-M3的65%。利用面积优化50MHz目标时钟速度,M4K的功耗比Cortex-M3的小15%。

• 在90nm面积优化50MHz配置中,M4K的功耗只有同等Cortex-M3的20%。可惜ARM网站没有提供90nm工艺下的功耗数据,不过,通过推测可以计算出M4K的功率节省有多可观。

• 在功率效率方面,M4K优于Cortex-M3(180nm时大约2倍,90nm时为6倍)——考虑到M4K的更高性能和更低功耗特性,这是不足为奇的。
在130nm工艺条件下,M4K内核显示出类似的低功耗特性。没有130nm Cortex-M3的数据可供比较,因此下面我们只给出了130nm时M4K的功耗数据。

• 速度优化配置 @ 216MHz 最大频率下,功耗为0.17mW/MHz

• 面积优化配置 @100MHz 频率下,功耗为0.06mW/MHz。

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