CN115113019A - 芯片动态功耗测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种芯片动态功耗测试系统及方法，属于芯片评价技术领域。所述系统包括：测试设备，用于作为测试芯片的工作电源，以及控制所述测试芯片执行预设测试算法；示波器，所述示波器的第一端口通过电流探头与测试芯片的电源通道连接，第二端口与所述测试芯片的I/O管脚连接，所述示波器用于采集所述测试芯片执行所述预设测试算法过程中的功耗信息；所述电流探头，用于采集所述测试芯片执行预设测试算法过程中的电流信号。本发明方案搭建了一套简单、易用、易实现的、可自动化获取安全芯片算法动态功耗结果的测试环境。

Description

芯片动态功耗测试系统及方法

技术领域

本发明涉及芯片评价技术领域，具体地，涉及一种芯片动态功耗测试系统及一种芯片动态功耗测试方法。

背景技术

芯片在如今的智能监测和控制领域应用十分广泛，芯片自身的性能直接影响了对应设备的工作性能，所以进行芯片使用前，对应的性能测试必不可少。芯片大多应用于嵌入式系统，对应的功耗要求很高，特别是安全芯片，其低功耗特性是非常关键的性能指标。安全芯片在智能电网与智能电表的应用中有至关重要的作用，安全、可靠、低功耗是其关键的性能指标。掌握芯片的动态功耗数值，对于提升安全芯片的应用，进而提升智能电网与智能电表的性能起到关键的作用。

在现有的安全芯片的算法动态功耗的测试中，通常使用专用的协议分析仪器获取功耗测试结果，需要在单次测试结束后，手动定位算法运行的区间，手动去观察功耗的测试点。这样导致无法获取算法运行区间的功耗实时曲线，判断算法运行期间的功耗走势，采集效率较低。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种芯片动态功耗测试系统及方法，以至少解决现有芯片功耗测试方案无法获取算法运行区间的功耗实时曲线，判断算法运行期间的功耗走势，采集效率较低的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种芯片动态功耗测试系统，所述系统包括：测试设备，用于作为测试芯片的工作电源，以及控制所述测试芯片执行预设测试算法；示波器，所述示波器的第一端口通过电流探头与测试芯片的电源通道连接，第二端口与所述测试芯片的I/O管脚连接，所述示波器用于采集所述测试芯片执行所述预设测试算法过程中的功耗信息；所述电流探头，用于采集所述测试芯片执行预设测试算法过程中的电流信号。

可选的，所述示波器的时基参数由所述测试芯片执行预设测试算法的需求运行时间确定。

可选的，所述示波器的启动时刻与所述测试芯片执行预设测试算法的起始时刻重合。

可选的，所述示波器的采集截停时刻与所述测试芯片执行预设测试算法的截停时刻重合。

可选的，所述示波器根据由第二端口获取的触发信号触发启动功耗信息采集，根据由第二端口获取的截停信号停止功耗信息采集。

可选的，所述触发信号为所述示波器的第二端口所连接的测试芯片的I/O管脚的输出电平值初次取反信号；所述截停信号为所述示波器的第二端口所连接的测试芯片的I/O管脚的输出电平值二次取反信号。

可选的，所述示波器通过第一端口连接的电流探头采集所述测试芯片执行预设测试算法过程中的电流信号，基于所述电流信号获得所述测试芯片执行预设测试算法过程中的功耗信息。

可选的，所述测试芯片执行预设测试算法过程中的电流信号为由所述示波器采集的测试芯片的电流曲线。

可选的，所述电流曲线为电流最大值曲线、电流平均值曲线、电流均方根值曲线中的任一种或多种。

可选的，所述功耗信息为：从所述电流曲线中去除功耗扰动曲线的功耗曲线；其中，所述功耗扰动曲线为因测试芯片的I/O管脚的输出电平切换造成的功耗扰动曲线。

本发明第二方面提供一种芯片动态功耗测试方法，所述方法包括：初始化测试芯片的I/O管脚，获取所述I/O管脚的初始输出电平值；响应于预设测试算法启动指令，控制所述I/O管脚的输出电平值初次取反，控制测试芯片执行所述预设测试算法，生成输出电平值初次取反信号；响应于所述输出电平值初次取反信号，启动示波器采集所述测试芯片执行所述预设测试算法过程中的功耗信息；响应于预设测试算法完成指令，控制所述I/O管脚的输出电平值二次取反，控制示波器停止功耗信息采集，输出所采集的功耗信息。

可选的，所述预设测试算法包括在所述测试芯片的片上操作系统上编写的输出调节算法；所述输出调节算法用于改变测试芯片I/O管脚的输出电平。

可选的，控制所述输出电平值初次取反之前，所述方法还包括：设置示波器的时基参数，包括：获取测试芯片运行预设测试算法的需求运行时间；以测试芯片执行预设测试算法的运行时间在示波器采集时段中的占比不小于预设比例为条件，确定示波器的时基参数。

可选的，所述方法还包括：若判断所述预设测试算法存在随机性，基于预设测试算法的需求运行时间增加预设倍数的功耗信息采集时延。

另一方面，本发明提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的芯片动态功耗测试方法。

通过上述技术方案，本发明方案通过常用的测试测量设备，单次准确截取算法运行的时间段，获取算法运行期间所消耗电流的曲线，进而获取所需的动态功耗结果。本发明方案搭建了一套简单、易用、易实现的、可自动化获取安全芯片算法动态功耗结果的测试环境。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的芯片动态功耗测试系统的系统结构图；

图2是本发明一种实施方式提供的芯片动态功耗测试方法的步骤流程图。

附图标记说明

1-第一端口；2-第二端口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

芯片在如今的智能监测和控制领域应用十分广泛，芯片自身的性能直接影响了对应设备的工作性能，所以进行芯片使用前，对应的性能测试必不可少。芯片大多应用于嵌入式系统，对应的功耗要求很高，特别是安全芯片，其低功耗特性是非常关键的性能指标。安全芯片在智能电网与智能电表的应用中有至关重要的作用，安全、可靠、低功耗是其关键的性能指标。掌握芯片的动态功耗数值，对于提升安全芯片的应用，进而提升智能电网与智能电表的性能起到关键的作用。这时，对于芯片评价人员来说，需要在测试过程中，深刻理解并掌握芯片功耗的测试方法，准确的获取其在工作过程中所消耗的能量，为其应用提供夯实的数据积累。具体而言到测试技术，充分配合被测芯片的功能，使用通用的测试测量设备搭建功耗测试环境，最终实现动态功耗数据的采集。

在现有的安全芯片的算法动态功耗的测试中，通常使用专用的协议分析仪器获取功耗测试结果，需要在单次测试结束后，手动定位算法运行的区间，手动去观察功耗的测试点。这样导致无法获取算法运行区间的功耗实时曲线，判断算法运行期间的功耗走势，采集效率较低。

基于上述问题，本发明方案提出了一种芯片动态功耗测试系统及方法，通过常用的测试测量设备，单次准确截取算法运行的时间段，获取算法运行期间所消耗电流的曲线，进而获取所需的动态功耗结果。本发明方案搭建一套简单、易用、易实现的、可自动化获取安全芯片算法动态功耗结果的测试环境。

为了便于方案介绍，具体实施方式中对安全芯片测试进行介绍，但应当知道，本发明方案并不局限于安全芯片测试，只要存在功耗测试需求，理论上均可使用本发明方案进行测试，只需要根据芯片的通信接口类型调整测试设备的接口类型即可。且专用的协议测试仪器、商用读卡器等设备均可作为测试设备，对应可用于含有ISO/IEC 7816、SPI、I2C、UART等任意接口芯片的功耗测试。

图1是本发明一种实施方式提供的芯片动态功耗测试系统的系统结构图。如图1示，所述系统包括：测试设备，用于作为待测芯片的工作电源，还用于控制所述待测芯片执行预设测试算法；示波器，第一端口1通过电流探头与待测芯片的电源通道连接，第二端口2与所述待测芯片的I/O管脚连接，用于采集所述待测芯片执行所述预设测试算法过程中的功耗信息；所述电流探头，用于采集所述待测芯片工作过程中的电流信号。

在本发明实施例中，本发明方案解决的技术点在于，通过安全芯片自身的资源，充分利用接口及管脚定义，基于通用的测试测量设备，解决准确抓取算法动态功耗曲线，并获取功耗数据的问题。通过编写安全芯片的片上操作系统(Chip Operating System，以下简称COS)的方法，将芯片的I/O管脚配置为输出模式，用于改变该管脚的输出电平。首先初始化为某一电平值，在算法运行开始时，改变I/O管脚的电平，在算法结束时，再次改变I/O管脚的电平。这样，通过管脚电平的两次变化，准确获取算法运行开始和停止时间段。然后基于该确定的执行算法时间段采集对应的电流曲线，便实现了单次准确截取算法运行的时间段，获取算法运行期间所消耗电流的曲线，进而获取所需的动态功耗结果。

优选的，所述示波器的时基参数由所述待测芯片执行预设测试算法的需求时间确定。

在本发明实施例中，示波器进行工作时，产生一个随时间做线性变化的扫描电压，这种扫描电压随时间的变化关系如同锯齿，故称锯齿波电压，这个电压经过x轴放大器放大后加到示波管的水平偏转板上时电子束产生水平扫描，这样屏幕上的水平坐标变成时间坐标，y轴输入的被测信号波形就可以在时间轴上展开。其涉及的时基是在电子线路中主要用来表示数字电路中的基准时钟，即在示波器中，若时基是100ns，则每一个横格表示一个时基，即100ns的时间跨度。时基变小，可以使波形放大，即通过改变时基正在测试的通道信号有一部分单独在视窗时基中水平放大显示，以便观察细节。对应的采集过程中，能够通过调节时基参数调整信号采集的失真率。而为了保证采集数据有效，需要获取安全芯片执行对应测试算法需求的时间，然后保证运行时间段占据示波器采集时段的固定比例，以保证获得无失真的功耗数据，优选的，该比例设置为98％，即运行时间段占据示波器采集时段至少98％。

优选的，所述示波器的启动时刻与所述待测芯片执行预设测试算法的起始时刻重合。

优选的，所述示波器的采集截停时刻与所述待测芯片执行预设测试算法的截停时刻重合。

在发明实施例中，本发明方案是采集安全芯片在运行测试算法过程中的功耗曲线，当完成算法执行时，对应的采集过程势必也就结束了，所以对应停止示波器信号采集，便可以完成的输出对应工作区间的功耗曲线。

在另一种可能的实施方式中，为了保证信号的有效采集，可以在完成安全芯片运行后，保持示波器工作一小段时间，该小段时间的确定规则为不影响示波器对于功耗参数的完整显示。通过设置小段时间的时延，可以保证安全芯片运行过程中的参数全采集，避免示波器提前截停导致信号采集不完全的问题。在后续曲线处理过程中，仅需要截取出其中运行期间的功耗曲线便可，因为完成算法运算后，芯片处于休眠状态，所以对于曲线的区分已经分割，并不会带来任何困难。

优选的，所述示波器通过所述第二端口2获取的触发信号触发启动开始功耗信息采集；所述示波器通过所述第二端口2获取的截停信号停止功耗信息采集。

在本发明实施例中，为了进行功耗曲线有效采集，示波器的起始采集时刻需要与安全芯片的起始工作时刻重合，安全芯片开始测试算法运算时，示波器便需要介入执行功耗曲线采集。为了实现系统的自动闭环测试，需要对应设置示波器的自动触发时间。

本发明方案在测试设备与被测芯片进行算法相关的交互过程中，通过电流探头连接安全芯片电源通路，采集电源管脚的电流数据；通过示波器常规探头连接安全芯片I/O管脚，触发安全算法运行的开始与停止时间点。根据预知的算法运行时间范围，设置示波器的时基参数。算法开始运算时，I/O管脚输出电平的改变触发示波器开始采集，待算法运算结束时，将获取算法运行过程中电源管脚的电流曲线，即算法的动态功耗曲线，从而进一步获取所需算法动态功耗的峰值。所以，触发信号为所述第二端口2所连接的待测芯片的I/O管脚的输出电平初次取反信号，即GPIO(General-purpose input/output，通用型输入/输出)电平翻转信号。

完成测试算法运行后，对应的输出电平会回复到测试前状态，示波器便可以根据该恢复信号判定终止信号采集。综上，输出电平初次取反信号即为安全芯片开始执行测试算法的电平切换信号，而输出电平二次取反信号即为安全芯片完成测试宣发运行后将输出电平恢复到测试前状态的电平切换信号。

优选的，所述示波器通过第一端口1连接的电流探头采集所述测试芯片执行预设测试算法过程中的电流信号，基于所述电流信号获得所述测试芯片执行预设测试算法过程中的功耗信息。

在本发明实施例中，电流探头是根据法拉第原理设计的用来测量导线中干扰电流信号的磁环，本质上是一个匝数为1的变压器，使用电流探头能够测量流经导线的电流大小。流经导线的电流会导致在导线周围形成电磁通量场，电流探头是为传感这个磁通量场的场强而设计的，并把它转换成相应的电压，以使用示波器进行测量。这允许使用示波器查看和分析电流波形。在与示波器的电压测量功能相结合使用时，电流探头还允许进行各种功率测量。根据示波器的波形数学运算功能，这些测量可以包括瞬时功率、真实功率、视在功率和相位。本发明方案便是通过示波器扩展电流探头进行安全芯片运行测试短发过程中的电流信号采集。将该采集信号回传给示波器，示波器基于该采集信号确定安全芯片的功耗信息。

优选的，所述待测芯片工作过程中的电流信号为：对应待测芯片在所述预设测试算法运算过程中，所述示波器采集的待测芯片的电流曲线。

优选的，所述电流曲线为电流最大值曲线、电流平均值曲线、电流均方根值曲线中的任意一种或多种。

优选的，所述功耗信息为：从所述电流曲线中去除功耗扰动曲线的功耗曲线；其中，所述功耗扰动曲线为因为I/O管脚输出电平切换造成的功耗扰动曲线。

在本发明实施例中，进行安全芯片输出电平切换时，对应的GPIO信号翻转会带来功耗扰动，该功耗扰动产生一段区别于实际应用的功耗扰动曲线。该功耗扰动曲线会对结果造成一定干扰，所以为了体现安全芯片的实际应用场景，需要在采集的完整的电流曲线中将这一部分功率扰动曲线剔除。所以，在示波器屏幕上，在算法结束时通过GPIO信号的翻转特性触发采集，所采集的功耗曲线为：算法运行开始时，GPIO信号翻转带来的功耗扰动去除后的曲线。

优选的，在实际应用过程中，通过算法结束时GPIO信号的翻转特性触发采集，将该触发延时设定在示波器屏幕右侧边沿，在示波器屏幕上保证截取的功耗曲线为去除算法运行结束时，GPIO信号翻转带来的功耗扰动。

在一种可能的实施方式中，安全芯片I/O管脚的电平两次转换之间，为算法运行时间，在安全芯片I/O管脚两次转换之间，该段时间采集的安全芯片电源管脚的电流曲线，是对应的算法动态功耗曲线。后续用于进行功耗数据计算的曲线应为上述所述动态功耗曲线的98％及以上。

优选的，对于有随机性特点的算法，在求取其最大值的条件下，应当在COS上增加至少10倍于算法运行时间最大值的延时，以保证能够准确采集算法运行时间段。

在本发明实施例中，结合通用的示波器、电流探头等通用测试测量仪器，并编写符合要求的COS执行流程，能够精确获取功耗曲线，并计算所需的数据结果，例如峰值、平均值、均方根值等，实现一套功耗测试方法。该专利实现的测试方法易于搭建，并且可应用于符合不同通信协议的测试设备及安全芯片的测试，通用性较强。

图2本发明一种实施方式提供的芯片动态功耗测试方法的方法流程图。如图2示，本发明实施方式提供一种芯片动态功耗测试方法，所述方法包括：

步骤S10：初始化待测芯片I/O管脚，获取所述I/O管脚的初始电平值。

具体的，因为后续需要通过调整I/O管脚输出电平来确定安全芯片的测试算法运行和截止时间，所以需要首选获取I/O管脚的初始电平值，才可以基于该初始电平值进行对应的切换和回复。所以在方法执行前，首先需要获取I/O管脚的初始电平值，该值可以由测试设备或示波器直接读取。

步骤S20：响应于预设测试算法启动指令，控制所述I/O管脚的输出电平值初次取反，控制测试芯片执行所述预设测试算法，生成输出电平值初次取反信号。

步骤S30：响应于所述输出电平初次取反信号，启动示波器采集所述测试芯片执行所述预设测试算法过程中的功耗信息。

步骤S40：响应于预设测试算法完成指令，控制所述I/O管脚的输出电平值二次取反，控制示波器停止功耗信息采集，输出所采集的功耗信息。

优选的，控制所述初始电平值取反之前，所述方法还包括：设置所述示波器的时基参数，包括：获取所述待测芯片运行预设测试算法的需求时间；保证所述待测芯片执行预设测试算法的时间在所述示波器采集时段中的占比不小于98％为原则，确定所述示波器的时基参数。

优选的，所述方法还包括：判断所述预设测试算法的特性；当所述预设测试算法存在随机性时，基于该算法需求运行时间增加预设倍数的采集时延。

实施例一：

对基于ISO 7816接口通信的某安全芯片的算法API功耗峰值测试。在该实例中，通过将标准化的测试流程，自动触发算法运行时间段，测试算法API运行区间的功耗峰值，并自动记录，整个测试效率提升80％。

实施例二：

进行选择的三款安全芯片的算法IP功耗评估工作。其中两款芯片的通信接口为ISO 7816接口，一款安全芯片的通信接口为串口，采集的数据为功耗的平均值和均方根值。对于不同的芯片测试，在保证测试命令实现标准化的前提下，不同芯片的测试只需更换测试设备。而该测试方法可以通用于上述三款安全芯片的功耗测试，无需为每款芯片维护一套测试方法。

本发明实施方式还提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的芯片动态功耗测试方法。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (15)

1.一种芯片动态功耗测试系统，其特征在于，所述系统包括：

测试设备，用于作为测试芯片的工作电源，以及控制所述测试芯片执行预设测试算法；

示波器，所述示波器的第一端口(1)通过电流探头与测试芯片的电源通道连接，第二端口(2)与所述测试芯片的I/O管脚连接，所述示波器用于采集所述测试芯片执行所述预设测试算法过程中的功耗信息；

所述电流探头，用于采集所述测试芯片执行预设测试算法过程中的电流信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述示波器的时基参数由所述测试芯片执行预设测试算法的需求运行时间确定。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述示波器的启动时刻与所述测试芯片执行预设测试算法的起始时刻重合。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述示波器的采集截停时刻与所述测试芯片执行预设测试算法的截停时刻重合。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述示波器根据由第二端口(2)获取的触发信号触发启动功耗信息采集，根据由第二端口(2)获取的截停信号停止功耗信息采集。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述触发信号为所述示波器的第二端口(2)所连接的测试芯片的I/O管脚的输出电平值初次取反信号；

所述截停信号为所述示波器的第二端口(2)所连接的测试芯片的I/O管脚的输出电平值二次取反信号。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述示波器通过第一端口(1)连接的电流探头采集所述测试芯片执行预设测试算法过程中的电流信号，基于所述电流信号获得所述测试芯片执行预设测试算法过程中的功耗信息。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述测试芯片执行预设测试算法过程中的电流信号为由所述示波器采集的测试芯片的电流曲线。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电流曲线为电流最大值曲线、电流平均值曲线、电流均方根值曲线中的任一种或多种。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述功耗信息为：

从所述电流曲线中去除功耗扰动曲线的功耗曲线；其中，

所述功耗扰动曲线为因测试芯片的I/O管脚的输出电平切换造成的功耗扰动曲线。

11.一种芯片动态功耗测试方法，其特征在于，所述方法包括：

初始化测试芯片的I/O管脚，获取所述I/O管脚的初始输出电平值；

响应于预设测试算法启动指令，控制所述I/O管脚的输出电平值初次取反，控制测试芯片执行所述预设测试算法，生成输出电平值初次取反信号；

响应于所述输出电平值初次取反信号，启动示波器采集所述测试芯片执行所述预设测试算法过程中的功耗信息；

响应于预设测试算法完成指令，控制所述I/O管脚的输出电平值二次取反，控制示波器停止功耗信息采集，输出所采集的功耗信息。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述预设测试算法包括在所述测试芯片的片上操作系统上编写的输出调节算法；

所述输出调节算法用于改变测试芯片I/O管脚的输出电平。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，控制所述输出电平值初次取反之前，所述方法还包括：

设置示波器的时基参数，包括：

获取测试芯片运行预设测试算法的需求运行时间；

以测试芯片执行预设测试算法的运行时间在示波器采集时段中的占比不小于预设比例为条件，确定示波器的时基参数。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

若判断所述预设测试算法存在随机性，基于预设测试算法的需求运行时间增加预设倍数的功耗信息采集时延。

15.一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行权利要求11-14中任一项权利要求所述的芯片动态功耗测试方法。

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