Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware -...

49
technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund Germany 2013 年 11 年 12 年 These slides use Microsoft clip arts. Microsoft copyright restrictions apply. © Springer, 2010

Transcript of Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware -...

Page 1: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

technische universität dortmund

fakultät für informatikinformatik 12

Embedded System Hardware

- Processing -

Peter MarwedelInformatik 12TU Dortmund

Germany

2013 年 11 月 12 日 These slides use Microsoft clip arts. Microsoft copyright restrictions apply.

© S

prin

ger,

2010

Page 2: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 2 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Embedded System Hardware

Embedded system hardware is frequently used in a loop (“hardware in a loop“):

cyber-physical systems

Page 3: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 3 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Efficiency:slide from lecture 1 applied to processing

CPS & ES must be efficient

• Code-size efficient(especially for systems on a chip)

• Run-time efficient

• Weight efficient

• Cost efficient

• Energy efficient

© Graphics: Microsoft, P. Marwedel, M. Engel, 2011

Page 4: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 4 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Why care about energy efficiency ?

Relevant during use?

Execution platform Plugged Uncharged periods

Unplug-ged

E.g. Factory Car Sensor

Global warming

Cost of energy

Increasing performance

Problems with cooling, avoiding hot spots

Avoiding high currents & metal migration

Reliability

Energy a very scarce resource

Power

© Graphics: P. Marwedel, 2011

Page 5: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 5 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Should we care about energy consumptionor about power consumption?

dttPE )(

t

P(t)

E

Both are closely related, but still different

Page 6: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 6 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Should we care about energy consumptionor about power consumption (2)?

Minimizing power consumption important for

• design of the power supply & regulators

• dimensioning of interconnect, short term cooling

Minimizing energy consumption important due to

• restricted availability of energy (mobile systems)

• cooling: high costs, limited space

• thermal effects

• dependability, long lifetimes

In general, we need to care about both

Page 7: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 7 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Energy Efficiency of different target platforms

© Hugo De Man, IMEC, Philips, 2007

“inherent power

efficiency of silicon“

Page 8: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 8 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Application Specific Circuits (ASICS)or Full Custom Circuits

Approach suffers from long design times, lack of flexibility

(changing standards) and high costs

(e.g. Mill. $ mask costs). Custom-designed circuits necessary if ultimate speed or energy efficiency is the goal and large numbers can be sold.

© Graphics: M. Engel, 2012

HW synthesis not covered in this course, let’s look at processors

Page 9: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 9 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Energy Efficiency of different target platforms

© Hugo De Man, IMEC, Philips, 2007

“inherent power

efficiency of silicon“

Page 10: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 10 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Prescott: 90 W/cm², 90 nm [c‘t 4/2004]

Nuclear reactor

PCs: Problem: Power density increasing

© IntelM. Pollack, Micro-32

Page 11: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 11 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

PCs: Surpassed hot (kitchen) plate …?Why not use it?

http://www.phys.ncku.edu.tw/~htsu/humor/fry_egg.html

Strictly speaking, energy is not “consumed”, but converted from electrical energy into heat energy

Page 12: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 12 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

PCs: Just adding transistors would have resulted in this:

2018

S. Borkar, A. Chien: The future of microprocessors, Communications of the ACM, May 2011

© ACM, 2011

Page 13: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 13 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Keep it simple, stupid (KISS)

S. B

orka

r, A

. Chi

en: T

he fu

ture

of m

icro

proc

esso

rs,

Com

mun

icat

ions

of t

he A

CM

, May

201

1

© ACM, 2011

Page 14: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 14 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Prerequisite: Static and dynamic power consumption

Dynamic power consumption: Power consumption caused by charging capacitors when logic levels are switched.

Static power consumption (caused by leakage current):power consumed in the absence of clock signals

Leakage becoming more important due to smaller devices

frequency clockvoltagesupply

ecapacitanc loadactivity switching

with

:::

:

2

fVC

fVCP

dd

L

ddL

Decreasing Vdd reduces P quadraticallyCL

CMOS outputddV

Page 15: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 15 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

How to make systems energy efficient:Fundamentals of dynamic voltage scaling (DVS)

Power consumption of CMOScircuits (ignoring leakage):

frequency clockvoltagesupply

ecapacitanc loadactivity switching

with

:::

:

2

fVC

fVCP

dd

L

ddL

) than voltage threshhold

with

ddt

t

tdd

ddL

VVV

VVVCk

(:

2

Delay for CMOS circuits:

Decreasing Vdd reduces P quadratically,while the run-time of algorithms is only linearly increased

Page 16: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 16 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Voltage scaling: Example

S. Borkar, A. Chien: The future of microprocessors, Communications of the ACM, May 2011

© ACM, 2011

Page 17: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 17 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

2(Forservers)

© Babak Falsafi, 2010

10 GHz clock: Many cores unusable

“Dark silicon”

Page 18: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 18 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

2

(For servers)

© Babak Falsafi, 2010

Page 19: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 19 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Dynamic power management (DPM)

RUN: operationalIDLE: a SW routine may stop the CPU when not in use, while monitoring interruptsSLEEP: Shutdown of on-chip activity

RUN

SLEEPIDLE

400mW

160µW50mW

90µs

90µs

10µs

10µs160ms

Example: STRONGARM SA1100

Power

fault

sig

nal

Power fault signal

Page 20: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 20 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Energy Efficiency of different target platforms

© Hugo De Man, IMEC, Philips, 2007

“inherent power

efficiency of silicon“

Page 21: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 21 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Low voltage, parallel operation more efficient than high voltage, sequential operation

Basic equationsPower: P ~ VDD² ,Maximum clock frequency: f ~ VDD ,Energy to run a program: E = P t, with: t = runtime (fixed)Time to run a program: t ~ 1/f

Changes due to parallel processing, with operations per clock:

Clock frequency reduced to: f’ = f / ,Voltage can be reduced to: VDD’ =VDD / ,Power for parallel processing: P° = P / ² per operation,Power for operations per clock: P’ = P° = P / , Time to run a program is still: t’ = t,Energy required to run program: E’ = P’ t = E /

Argument in favour of voltage scaling,and parallel processing

Rough approxi-mations!

Page 22: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 22 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

More energy-efficient architectures:Domain- and application specific

Close to power efficiency of silicon

“inherent power

efficiency of silicon“

© Hugo De Man: From the Heaven of Software to the Hell of Nanoscale Physics: An Industry in Transition, Keynote Slides, ACACES, 2007

Page 23: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 23 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Energy-efficient architectures:Domain- and application specific

“inherent power

efficiency of silicon“

Close to power efficiency of silicon

© Hugo De Man: From the Heaven of Software to the Hell of Nanoscale Physics: An Industry in Transition, Keynote Slides, ACACES, 2007

Page 24: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 24 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Mobile phones:Increasing performance requirementsC.H. van Berkel: Multi-Core for Mobile Phones, DATE, 2009;

Wor

kloa

d [M

OP

s]

Many more instances of the power/energy problem

Page 25: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 25 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Mobile phones: Where does the power go?

It not just I/O, don’t ignore processing![O. Vargas: Minimum power consumption in mobile-phone memory subsystems; Pennwell Portable Design - September 2005;]

Page 26: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 26 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Mobile phones: Where does the power go? (2)

During use, all components & computations relevant

C.H. van Berkel: Multi-Core for Mobile Phones, DATE, 2009; (no explicit percentages in original paper)

Mobile phone use, breakdown by type of computation

(geometry processing, rasterization, pixel shading) (display & camera processing, video (de)coding)

(front-end, demodulation, decoding, protocol) (user interface, browsing, …)

With special purpose HW!

Page 27: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 27 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Mobile phones: Where is the energy consumed?

According to International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), 2010 update, [www.itrs.net]

Current trends violation of 0.5-1 W constraint for small mobiles; large mobiles:~ 7 W

© ITRS, 2010

Page 28: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 28 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Energy-efficient architectures: Heterogeneous processors

http

://w

ww

.mps

oc-fo

rum

.org

/200

7/sl

ides

/Hat

tori.

pdf

“Dark silicon” (not all silicon can be powered at the same time, due to current, power or temperature constraints)

Page 29: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 29 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

ARM‘s big.LITTLE as an example

© ARM, 2013

Used inSamsung S4

Page 30: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 30 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Key requirement #2: Code-size efficiency

Overview: http://www-perso.iro.umontreal.ca/~latendre/ codeCompression/codeCompression/node1.html

Compression techniques: key idea

Page 31: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 31 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Code-size efficiency

Compression techniques (continued):• 2nd instruction set, e.g. ARM Thumb instruction set:

• Reduction to 65-70 % of original code size• 130% of ARM performance with 8/16 bit memory• 85% of ARM performance with 32-bit memory

1110 001 01001 0 Rd 0 Rd 0000 Constant

16-bit Thumb instr.ADD Rd #constant001 10 Rd Constant

zero extendedmajoropcode minor

opcode

source=destination

Same approach for LSI TinyRisc, …Requires support by compiler, assembler etc.

Dynamically decoded at run-time

[ARM, R. Gupta]

Page 32: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 32 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Dictionary approach, two level control store (indirect addressing of instructions)

“Dictionary-based coding schemes cover a wide range of various coders and compressors.

Their common feature is that the methods use some kind of a dictionary that contains parts of the input sequence which frequently appear.

The encoded sequence in turn contains references to the dictionary elements rather than containing these over and over.”

[Á. Beszédes et al.: Survey of Code size Reduction Methods, Survey of Code-Size Reduction Methods, ACM Computing Surveys, Vol. 35, Sept. 2003, pp 223-267]

Page 33: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 33 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Key idea (for d bit instructions)

Uncompressed storage of a d-bit-wide instructions requires a x d bits.

In compressed code, each instruction pattern is stored only once.

Hopefully, axb+cxd < axd.

Called nanoprogramming in the Motorola 68000.

instructionaddress

CPU

d bit

b « d bit

table of used instructions (“dictionary”)

For each instruction address, S contains table address of instruction.

S a

b

c ≦ 2b small

Page 34: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 34 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Key requirement #3: Run-time efficiency- - Domain-oriented architectures -

Example: Filtering in Digital signal processing (DSP)

Signal at t=ts (sampling points)

Page 35: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 35 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Filtering in digital signal processing

-- outer loop over-- sampling times ts

{ MR:=0; A1:=1; A2:=s-1; MX:=w[s]; MY:=a[0]; for (k=0; k <= (n−1); k++) { MR:=MR + MX * MY; MX:=w[A2]; MY:=a[A1]; A1++; A2--; } x[s]:=MR; }Maps nicely

ADSP 2100

Page 36: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 36 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

DSP-Processors: multiply/accumulate (MAC) and zero-overhead loop (ZOL) instructions

MR:=0; A1:=1; A2:=s-1; MX:=w[s]; MY:=a[0];for ( k:=0 <= n-1) {MR:=MR+MX*MY; MY:=a[A1]; MX:=w[A2]; A1++; A2--}

Multiply/accumulate (MAC) instruction Zero-overhead loop (ZOL) instruction preceding MAC instruction.Loop testing done in parallel to MAC operations.

Page 37: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 37 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Heterogeneous registers

MR

MFMX MY

*+,-

AR

AFAX AY

+,-,..

DP

Address generation unit (AGU)

Address- registersA0, A1, A2 ..

Different functionality of registers An, AX, AY, AF,MX, MY, MF, MR

Example (ADSP 210x):

Page 38: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 38 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Separate address generation units (AGUs)

Data memory can only be fetched with address contained in A,

but this can be done in parallel with operation in main data path (takes effectively 0 time).

A := A ± 1 also takes 0 time, same for A := A ± M; A := <immediate in instruction>

requires extra instruction

Minimize load immediates

Optimization in optimization chapter

Example (ADSP 210x):

Page 39: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 39 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Modulo addressing

Modulo addressing:Am++ Am:=(Am+1) mod n(implements ring or circular buffer in memory)

.. w[t1-1] w[t1] w[t1-n+1] w[t1-n+2]..

Memory, t=t1 Memory, t2= t1+1

sliding windoww

t1t

n most recent values

.. w[t1-1] w[t1] w[t1+1] w[t1-n+2]..

Page 40: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 40 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Returns largest/smallest number in case of over/underflows

Example:a 0111b + 1001standard wrap around arithmetic (1)0000saturating arithmetic 1111(a+b)/2: correct 1000

wrap around arithmetic 0000saturating arithmetic + shifted 0111

Appropriate for DSP/multimedia applications:• No timeliness of results if interrupts are generated for overflows• Precise values less important• Wrap around arithmetic would be worse.

Saturating arithmetic

“almost correct“

Page 41: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 41 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Example

MATLAB Demo

Page 42: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 42 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Fixed-point arithmetic

Shifting required after multiplications and divisions in order to maintain binary point.

Page 43: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 43 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Real-time capability

Timing behavior has to be predictableFeatures that cause problems:

• Unpredictable access to shared resources• Caches with difficult to predict replacement strategies• Unified caches (conflicts between instructions and data)• Pipelines with difficult to predict stall cycles ("bubbles")• Unpredictable communication times for multiprocessors

• Branch prediction, speculative execution• Interrupts that are possible any time• Memory refreshes that are possible any time• Instructions that have data-dependent execution times Trying to avoid as many of these as possible.

[Dag

stuh

l wor

ksho

p on

pre

dict

abili

ty, N

ov. 1

7-19

, 200

3]

Page 44: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 44 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Multiple memory banks or memories

MR

MFMX MY

*+,-

AR

AFAX AY

+,-,..

DP

Address generation unit (AGU)

Address- registersA0, A1, A2 ..

Simplifies parallel fetches

Page 45: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 45 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Multimedia-Instructions, Short vector extensions, Streaming extensions, SIMD instructions

Multimedia instructions exploit that many registers, adders etc are quite wide (32/64 bit), whereas most multimedia data types are narrow

2-8 values can be stored per register and added. E.g.:

2 additions per instruction; no carry at bit 16

a1 a232 bits

b1 b232 bits

c1 c232 bits

+

Cheap way of using parallelism SSE instruction set extensions, SIMD instructions

Page 46: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 46 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Summary

Hardware in a loop Sensors Discretization Information processing

• Importance of energy efficiency• Special purpose HW very expensive• Energy efficiency of processors• Code size efficiency• Run-time efficiency• MPSoCs

D/A converters Actuators

Page 47: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 47 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

SPARES

Page 48: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 48 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Voltage scaling: Example

Vdd[Courtesy, Yasuura, 2000]

Page 49: Technische universität dortmund fakultät für informatik informatik 12 Embedded System Hardware - Processing - Peter Marwedel Informatik 12 TU Dortmund.

- 49 -technische universitätdortmund

fakultät für informatik

P.Marwedel, Informatik 12, 2013

TU Dortmund

Variable-voltage/frequency example: INTEL Xscale

From

Inte

l’s W

eb S

ite