Entwurf von hochperformanten Low Power Mikroprozessorsystemen

Abstract

Die Entwicklung von modernen, hochperformanten Mikroprozessorsystemen ist entscheidend geprägt von der Problematik hoher Verlustleistungsdichten von mehr als 10W/cm2. Handelsübliche Mikroprozessoren für Arbeitsplatz-PCs weisen bereits Verlustleistungen in der Größenordnung von 100W auf. Neben der Rechenleistung und der Baugröße ist daher der Leistungsverbrauch zum entscheidenden Erfolgsfaktor für die Realisierbarkeit und Akzeptanz besonders von mobilen, batteriebetriebenen Endgeräten geworden.<br />Die vorliegende Arbeit stellt einen neuen Ansatz für die hard- und softwaretechnische Realisierung von hochperformanten Low-Power Mikroprozessorsystemen vor. Grundkonzept dabei ist die umfassende Berücksichtigung verlustleistungsrelevanter Zusammenhänge bei erweiterten Betrachtungsgrenzen und damit die vertikale Vernetzung von Verlustleistungsprozessen von der Logikebene bis zur Softwareebene.<br />Mithilfe dieses neuen Ansatzes wird - entsprechend dem Trend zu immer höheren Rechenleistungen im Bereich der Embedded Systeme - ein neues Mikroprozessormodul im Format einer Scheckkarte realisiert, das bei einer Taktfrequenz von 733MHz eine Leistungsaufnahme von weniger als 2W aufweist.<br />Zur weiteren Verbesserung der Verlustleistungsbilanz bei gleichzeitiger Erhöhung der Rechengeschwindigkeit wird eine neue Methode der energieoptimalen Cachezuteilung vorgeschlagen, mit der - ohne Änderung von Hard- und Software - die Verlustleistung um weitere 30% reduziert werden kann.<br />Für die softwaretechnische Implementierung wird das offene, frei verfügbare Betriebssystem 'Linux' auf die realisierte Hardware portiert.<br />Zur Unterstützung bei der Inbetriebnahme und zur Untersuchung der Verlustleistungseffizienz wird ein neuer Simulator entwickelt, der eine eventgesteuerte Hardwaresimulation des Mikroprozessormoduls auf Maschinensprachebene ermöglicht.<br />

The development of modern high performance microprocessor systems suffer from high power dissipation densities of more than 10W per cm2. Well known microprocessors for state-of-the-art personal computers already consume a total power of 100W and above. Besides of performance and size, power dissipation has become one of the most important design constraints especially for battery-powered mobile devices.<br />This work presents a new approach for the hard- and software development of highly performant low-power microprocessor systems. The basic idea behind this approach is to have a wider view on all the relevant relationships concerning power dissipation and to vertically integrate power dissipation phenomena from transistor level up to software level.<br />By means of this approach a new microprocessor module with the size of a credit card is developed and implemented. According to the trend of a steadyly growing need for performance in the area of embedded systems the microprocessor module offers a clock frequency of up to 733MHz while consuming less than 2W of power.<br />To further improve both, power dissipation and performance a new method of energy-optimal cache assignment ist presented which further reduces total power consumption by typically 30% without any change in soft- and hardware.<br />The open source operating system 'Linux' is chosen and ported to the new microprocessor module.<br />To get a deep insight into cache efficiency and to support initial implementation of the hardware a new event-driven simulator software is developed which allows the execution of operating system and application software with instruction-level accuracy.