Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea CI (전자공학회논문지CI)

The Institute of Electronics and Information Engineers (대한전자공학회)
권호 표지

Study of Instruction-level Current Consumption Modeling and Optimization for Low Power Microcontroller

저전력 마이크로컨트롤러를 위한 명령어 레벨의 소모전류 모델링 및 최적화에 대한 연구

  • Eom Heung-Sik (Department of Electronics Engineering, Dongguk University) ;
  • Kim Keon-Wook (Department of Electronics Engineering, Dongguk University)
  • Published : 2006.09.01
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Abstract

This paper presents experimental instruction-level current consumption model for low power microcontroller ATmega128. The accessibility of instruction for internal memory decides power consumption of the microcontroller as much as 17% of difference between access instruction and non-access instruction. The power consumption for the given program will be increased in the proportional to the ratio of memory access instruction and lower level memory access in the hierarchy. Throughout the current consumption model, the power consumption can be predicted and optimized in the direction of reducing the frequency memory access. Also, the various optimization methods are introduced in terms of software and hardware viewpoints.

본 논문에서는 임베디드 시스템에서 사용되는 대표적 저전력 마이크로컨트롤러인 ATmega128을 대상으로 명령어 레벨의 소모전류를 측정, 모델링하였다. 마이크로컨트롤러가 소모하는 전류는 메모리의 접근 유무에 의해 차이가 나며, 메모리 접근 명령어가 메모리 비접근 명령어에 비해 내부 메모리 기준으로 17% 더 높은 전류소모를 나타낸다. 프로그램의 메모리 접근 명령어 사용빈도가 높을수록, 메모리 계층구조에서 낮은 계층의 정보를 접근할수록 프로그램의 전력소모는 비례한다고 관찰된다. 본 논문에서는 명령어 레벨의 소모전류모델화를 통하여 실제 프로그램의 전력소모를 예측, 분석하고 메모리 접근 명령어의 비율을 줄이는 방향으로 프로그램의 전력소모를 최적화한다. 또한 마이크로컨트롤러 기반 시스템에서 프로그램 실행 전력을 최적화할 수 있는 기법을 하드웨어와 소프트웨어 측면에서 다양하게 제안한다.

Keywords

References

  1. C.X. Huang, B. Zhang, An-Chang Deng, and B. Swirski. 'The design and implementation of PowerMill' , Proceedings. 1995 International Symposium on Low Powr Design. pp, 105-108, 1995 https://doi.org/10.1145/224081.224100
  2. F.N Najm, 'Transition Density : A New Measure of Activity in Digital Circuits' , IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. Vo1.14, No.1, pp. 310-323, 1993 https://doi.org/10.1109/43.205010
  3. T. Sato, M. NagamAtsu, and H. Tago. 'Power and performAnce simulator : ESP and its application for l00MIPS/W class RISC design' in Proc. Symp. Low Power Electron. San Diego, pp. 46-47, Oct. 1994 https://doi.org/10.1109/LPE.1994.573197
  4. T. Sato, Y. Ootaguro, M. NagamAtsu, and H. Tago, 'Evaluation of architecture-level power estimAtion for CMOS RISC processors' , in Proc. Symp, Low Power Electron. San Jose, CA, pp. 44-45, Oct. 1995 https://doi.org/10.1109/LPE.1995.482457
  5. Gang Qu, Naoyuki Kawabe, Kimiyoshi Usami, and Miodrag Potkoniak, 'Function-Level Power EstimAtion Methodology for Microprocessors' , in Proc. Design Automation Conf, pp. 810-813, June 2000
  6. Mike Tien-Chien Lee, Vivek Tiwari, Shard mAlik, and mAsahiro Fujita, 'Power Analysis and Minimization Techniques for Embedded DSP Software' , IEEE Trans. VLSI System. Vol. 5, no. 1, pp. 123-135, mAr. 1997 https://doi.org/10.1109/92.555992
  7. Vivek Tiwari, Sharad mAlik, and Andrew wolfe, 'Power Analysis of Embedded Software : A First Step Towards Software Power minimization', IEEE Trans. VLSI System. Vol. 2, No.4, pp.437-445, Dec. 1994 https://doi.org/10.1109/92.335012
  8. Atmel Corp., 8-bit microcontroller ATmega128 complete
  9. Agilent Technologies Corp., 6000 Series Oscilloscopes User's guide
  10. Agilent Technologies Corp., 1147A 50MHz Current probe User's guide
  11. Agilent Technologies Corp., 14565A Device Characterization Software Quick Start Quide
  12. http://sourceforge.net/projects/tinyos