Progetto in VHDL di un sistema di gestione della potenza dissipata nel bus AMBA

                                                                                          INTRODUZIONE 
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Nel presente lavoro si è progettato in VHDL un sistema di gestione della 
potenza dissipata in un sistema AMBA alimentato da una batteria. 
In particolare esso sfrutta le relazioni esistenti tra potenza, energia, 
tensione di alimentazione e frequenza di funzionamento. 
Per verificare e valutare l’efficacia del sistema si è reso necessario  
simulare la batteria . 
Nel corso del progetto si è dovuto procedere ad una fase di 
instrumentation dei moduli del sistema, fase che consiste nell’aggiungere 
funzionalità ad un blocco per portare fuori da esso informazioni utili in 
fase di simulazione, nel nostro caso  riguardanti il consumo di potenza. 
Si è cercato di evidenziare come possa essere realizzata la fase di 
instrumentation a partire dalla descrizione hardware, in particolare da un 
codice in VHDL,  di un qualsiasi sistema. 
Tale fase fornisce al progettista un feedback sulla dissipazione di energia 
del sistema che può essere utile in diverse scelte progettuali ed è servita, 
nel presente lavoro, oltre a contribuire al modello della batteria, anche 
alla realizzazione del controllore globale, che è il blocco del sistema di 
gestione della potenza che funge da supervisore, gestendo le operazioni 
che vengono eseguite dai vari blocchi.  
Il lavoro si articola in quattro capitoli. Nel primo si tratta del consumo di 
potenza, con particolare riferimento alla tecnologia CMOS, nel secondo 
è descritto il protocollo AMBA AHB. Nel terzo capitolo viene descritto 
il progetto realizzato, mentre nel quarto vengono riportate le simulazioni 
effettuate e commentati i risultati ottenuti. 
 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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Capitolo 1 
IL CONSUMO DI POTENZA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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1.1 Introduzione al Low Power  
 
Il consumo di potenza è diventato una delle più importanti specifiche di 
progetto sia dei circuiti integrati, venendo ad affiancare i requisiti di 
performance ed area, sia di sistemi elettronici più grandi in generale, 
come ad esempio i notebook. 
Due fattori tra loro indipendenti sono da considerarsi le maggiori cause: 
 ξ la spinta proveniente dal mercato dei dispositivi portatili: laptop, 
cellulari, palmari, ecc... 
La crescita notevole di questo mercato negli ultimi anni pone 
continuamente la sfida di abbassare il consumo di potenza per aumentare 
la loro autonomia. 
Infatti lo sviluppo tecnologico delle batterie non riesce a stare dietro 
all’aumento del consumo di potenza. 
 ξ gli aumenti della densità di integrazione e della frequenza, entrambi 
resi possibili da progressi in ambito tecnologico, causano il problema 
della dissipazione del calore, che si ripercuote sul costo del package e su  
possibili problemi di affidabilità. E’ noto infatti che circuiti che hanno 
alti requisiti di potenza necessitano di package costosi, si pensi ad 
esempio alla necessità di inserire alettature per incrementare l’area del 
package, come tecnica di cooling. 
Esiste quindi una dicotomia nel progetto dei moderni sistemi elettronici: 
il simultaneo bisogno di low power e di high performance. 
La riduzione del consumo di potenza non è solo un problema di 
ottimizzazione, ma dovrebbe essere uno stato mentale da avere durante 
l’intera evoluzione del progetto. 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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In un sistema più complesso di un chip la potenza dissipata dai 
componenti digitali VLSI è solo una frazione della potenza dissipata 
dall’intero sistema, in altre parole in molti prodotti elettronici solo una 
piccola frazione della potenza viene consumata dai circuiti digitali. Ad 
esempio in un notebook la maggior parte della potenza è dissipata dal 
display. Ogni componente deve essere progettato considerando il suo 
consumo di potenza. 
 
 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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1.2 La dissipazione di potenza nei circuiti CMOS 
 
La potenza media dissipata in un circuito CMOS da un gate può essere 
descritta in prima approssimazione da una semplice equazione che tiene 
conto dei quattro contributi più importanti: 
 
Vediamoli singolarmente: 
 ξ La potenza dinamica è causata dalla carica trasferita dall’alimentazione 
alla capacità di uscita o da quest’ultima a ground.  
Essa costituisce il contributo maggiore (circa 80 %) della potenza 
dissipata. E’ questo il motivo per cui le principali tecniche di riduzione 
della potenza mirano a diminuire proprio essa. 
 ξ La potenza di cortocircuito è determinata dal fatto che poiché gli inputs 
hanno pendenza finita, c’é un percorso resistivo tra l’alimentazione e 
ground  e della corrente fluisce dall’alimentazione a ground (corrente di 
cortocircuito). 
Nelle tradizionali tecniche di progetto per high performance la potenza di 
cortocircuito è solo una piccola frazione di quella complessiva. 
 ξ  La potenza di leakage è la potenza dissipata dalle correnti di leakage. 
Per gli attuali circuiti VLSI questa potenza è una piccola frazione (meno 
del 10%) di quella complessiva. 
In futuro, a causa dell’abbassamento delle tensioni di alimentazione, 
questo contributo potrebbe assumere più importanza. 
Riduzioni della potenza di leakage sono ottenute principalmente 
attraverso miglioramenti della tecnologia. 
staticaleakageitocortocircudinamicamedia PPPPP         
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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 ξ  La potenza statica è presente solo nei circuiti CMOS difettosi, infatti 
in normali condizioni non è presente. 
Quando invece è presente essa diventa il contributo principale alla 
potenza dissipata complessivamente dal chip ed è spesso associata a 
comportamenti non corretti o non predicibili. 
 
 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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1.3 La potenza dinamica 
 
La potenza dinamica può essere formalizzata dalla seguente espressione:  
dove f è la frequenza del clock, 
dd
V  è la tensione di alimentazione, K è il 
numero medio di transizioni del nodo di uscita in un ciclo di clock. In 
qualsiasi circuito digitale il ciclo di clock è molto più lungo del tempo 
per una transizione di un gate, quindi un singolo gate può avere più 
transizioni in un singolo ciclo di clock.  
La quantità 
out
2
dd
CV
2
1
 è la quantità di energia dissipata dal gate CMOS 
ogni volta che la sua uscita commuta. 
Quindi la potenza dinamica di un circuito CMOS è calcolabile 
sommando le attività medie di commutazione (
2
dd
KV
2
1
) per ogni nodo 
pesate dalle loro capacità di carico. 
Queste ultime possono essere ottenute usando la libreria della tecnologia, 
a partire dal circuito mappato sulla tecnologia scelta. 
L’attività media di commutazione può essere ottenuta con un simulatore 
che la stima a partire dalle forme d’onda degli ingressi. 
E’ chiaro che una stima della potenza più è a basso livello, più fornisce 
informazioni accurate, ma anche più tempo richiede per essere eseguita. 
In certi casi é sufficiente un’accuratezza relativa, cioè che permetta di 
vedere quale  tra due o più soluzioni sia quella migliore dal punto di vista 
della potenza dissipata.  
fVKC
2
1
P
2
dd
outdinamica   
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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E’ questo il caso ad esempio di una fase iniziale di un progetto, in cui 
una simulazione a livello RTL può essere sufficientemente accurata da 
permettere al progettista di esplorare diverse soluzioni, individuare i 
blocchi più critici, sempre dal punto di vista della potenza dissipata, e 
andare ad agire proprio su di essi. 
 Infatti e’ importante che il progettista possa esplorare velocemente 
diverse alternative ed ottenere veloci feedback. Ciò é possibile solamente  
utilizzando high level tools. 
Un’accuratezza assoluta, meglio fornita da un simulatore a più basso 
livello, é invece richiesta per fare scelte riguardanti il package o per 
determinare se una certa batteria potrà essere adoperata per soddisfare 
fissati requisiti. 
L’equazione che modella la potenza dinamica fornisce i parametri su cui 
le varie tecniche di riduzione della potenza tendono ad intervenire. 
 
 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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1.4 Riduzione della frequenza 
 
Riducendo la frequenza di clock di un circuito digitale si ha una 
riduzione proporzionale del consumo di potenza. 
Tuttavia un circuito è realizzato per eseguire certe funzionalità, quindi il 
solo espediente di abbassare la frequenza di clock risulta in una 
computazione più lenta e non in un effettivo risparmio energetico. 
Infatti, il consumo di potenza risulta ridotto, ma lo è anche la quantità di 
computazione effettuata: l’energia dissipata per eseguire un dato compito 
rimane la stessa, come mostra il seguente esempio. 
Supponiamo di dover eseguire un certo task su un sistema portatile 
alimentato da una batteria. 
Chiamiamo T
1
 il periodo del clock e supponiamo che il task richieda N
1
 
cicli di clock per essere completato. Indichiamo con P
1
 la potenza media 
dissipata. 
Se utilizziamo un segnale di clock con periodo pari a 2  T
1
 la potenza 
media dissipata e’ P
1
/2, perché la potenza è direttamente proporzionale 
alla frequenza del clock. 
Comunque ora il task per essere completato richiede un tempo doppio, 
pari a 2  N  T
1
. 
Quindi l’energia consumata e’ P
1
  N  T
1
 in entrambi i casi. 
E’ vero che abbassando la frequenza si consuma meno potenza, ma c’è 
bisogno di più tempo per eseguire lo stesso task. 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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Quindi considerando costante la quantità totale di energia fornita da una 
batteria, il solo accorgimento di diminuire la frequenza non si rivela 
utile.  
 
 
1.4.1 Il comportamento di una batteria reale 
 
In realtà la quantità totale di energia fornita da una batteria non è una 
costante, ma dipende dalla velocità con la quale l’energia fluisce dalla 
batteria al sistema. 
In un sistema portatile non bisogna considerare solo la potenza dissipata, 
ma anche la durata della batteria, che è quello che veramente percepisce  
l’utente. 
Sono infatti la potenza dissipata e la batteria che determinano insieme 
quanta computazione potrà venire eseguita. 
Ignorare il fatto che il sistema verrà alimentato da una batteria può 
portare ad errate decisioni in fase progettuale. 
L’energia fornita da una batteria dipende dalla corrente di carico. 
I due effetti principali  e maggiormente sfruttabili di una batteria da un 
sistema mobile sono la non linearità e il ripristino (recovery), come viene 
detto in [1]. 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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1.4.2 La non linearità di una batteria 
 
Nella successiva figura è illustrato il fenomeno della non linearità, in una 
tipica batteria NiCd. 
E’ rappresentata la relazione tra la capacità e la corrente.  
 
 
 
Quest’ultima è misurata in termini di C, secondo la notazione standard 
usata nell’industria delle batterie, che la prevede normalizzata alla 
capacità della batteria.  
Per esempio una corrente di scarica di 1C per una batteria con 
C=500mA-hours è 500mA, mentre una corrente di scarica di 1C per una 
batteria con C=1000mA-hours è 1000 mA. 
Nella figura il 100% della capacità si ha in corrispondenza di una 
corrente di scarica pari a 0,5C , quindi si è considerato un tempo di 
osservazione pari a due ore. 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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La non linearità delle batterie fu determinata empiricamente da Peukert 
verso la fine dell’ottocento, che la formalizzò nella seguente equazione: 
 ∆
I
X
C     
dove compaiono le seguenti quantità: 
 
 ξ C è  l’energia totale che può essere fornita dalla batteria 
 
 ξ  X e  ∆ sono costanti dipendenti dalle proprietà chimiche e fisiche della 
batteria. Per una batteria ideale  ∆ è nullo, cioè l’energia fornita da una 
batteria è costante , mentre nelle batterie reali ∆ può arrivare fino a 0,7. 
 
 ξ  I è la corrente media di scarica 
 
La più importante conseguenza di questa equazione è che se diminuiamo 
la corrente di scarica possiamo incrementare la quantità totale di energia 
fornita dalla batteria. 
In altri termini, ci può essere qualche vantaggio nel ridurre la frequenza 
di clock, perché ciò implica la diminuzione della corrente di scarica che 
si ripercuote in un utilizzo maggiormente proficuo della batteria.  
Nella maggior parte dei sistemi portatili quello che si cerca di fare è 
allungare la durata della batteria, anche a scapito delle prestazioni, entro 
limiti prestabiliti. 
L’inconveniente maggiore della legge di Peukert è che è applicabile solo 
a carichi costanti e quindi non ai carichi variabili tipici degli schemi di 
power management. 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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1.4.3 Il ripristino di una batteria 
 
E’ il fenomeno per cui una riduzione temporanea del carico aumenta la 
durata della batteria. 
Ciò è mostrato nella successiva figura, nella quale si nota come la 
riduzione del carico comporta un aumento della tensione fornita ed un 
aumento del complessivo tempo di scarica della batteria. Infatti una 
batteria può considerarsi scarica quando la sua tensione scende sotto una 
certa soglia. 
Questo fenomeno è causato dal fatto che, quando il carico viene  
diminuito, i reagenti della batteria diffondono nella zona della reazione, e 
in questo modo ci sono più reagenti che prendono parte alla reazione. 
Il fenomeno di ripristino dipende dalla variazione  della corrente di 
scarica  e dalla durata per cui il carico è ridotto, oltre che dalla 
particolare batteria. 
 
 
Capitolo 1                                                             IL CONSUMO DI POTENZA 
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Da quanto detto sopra risulta che è possibile che una batteria sia in uno 
stato tale da non riuscire a completare un dato task ad una certa 
frequenza, ma abbassando la frequenza lo stesso task possa essere 
portato a termine, perché è come se la batteria fosse stata in parte 
ricaricata, visto che la sua durata  aumenta o, da un altro punto di vista, 
come se la quantità di energia fornita dalla batteria fosse la stessa, ma il 
task ne richiedesse di meno. 
Da questa ottica  l’utilizzo della sola tecnica di riduzione della frequenza 
del clock può essere giustificato in certe applicazioni.