摘 要： 首先與實(shí)測(cè)系統(tǒng)功耗進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了Xilinx公司ISE軟件包中FPGA功耗估算工具XPower的準(zhǔn)確性,。然后對(duì)FPGA設(shè)計(jì)中影響系統(tǒng)功耗的幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)進(jìn)行取樣,，通過(guò)軟件估算不同樣點(diǎn)下的系統(tǒng)功耗，找到功耗最低的取樣點(diǎn),，得到最佳設(shè)計(jì)參數(shù),，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)這種方法,，在一個(gè)FPGA讀寫SRAM的系統(tǒng)中,，在單位時(shí)間讀寫操作數(shù)固定的條件下，選取了讀寫頻率與讀寫時(shí)間占空比這兩個(gè)參數(shù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)功耗,。最終測(cè)試數(shù)據(jù)證明了該方法的正確性,。
關(guān)鍵詞： XPower；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,；低功耗,；SRAM
FPGA在各種電路設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，如何對(duì)FPGA系統(tǒng)進(jìn)行低功耗優(yōu)化成為一個(gè)重要的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,。從最早的FPGA功耗模型的建立[1],，到較完善的FPGA功耗估算模型[2]，再到現(xiàn)在功耗估算工具的出現(xiàn)[3],，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)功耗的預(yù)估已經(jīng)越來(lái)越準(zhǔn)確,，節(jié)約功耗的方法也越來(lái)越多樣。本文基于FPGA功耗的預(yù)估,，提出將影響功耗的因素做為功耗函數(shù)的參數(shù),，根據(jù)參數(shù)取樣并預(yù)估樣點(diǎn)功耗找到功耗函數(shù)的最小值，從而得到最佳參數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并節(jié)約系統(tǒng)功耗的方法,。設(shè)計(jì)了一個(gè)FPGA讀寫常用存儲(chǔ)器SRAM的系統(tǒng),，選取了讀寫頻率與讀寫時(shí)間占空比這兩個(gè)參數(shù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)功耗，通過(guò)對(duì)比預(yù)估值與實(shí)測(cè)值證明了該方法的正確性,。
1 FPGA功耗估算工具
1.1 XPower介紹
Xilinx公司的ISE Design Suite工具套件中提供了功耗仿真器XPower Analyzer,，它可以對(duì)可編程邏輯器件的功耗進(jìn)行分析[3]。功耗來(lái)源分靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分[1],。靜態(tài)功耗主要由晶體管的泄漏電流和FPGA偏置電流引起,，它與工藝技術(shù),、晶體管特性、晶體管個(gè)數(shù),、采用的絕緣介質(zhì)等因素有關(guān),，這些是由FPGA本身決定的，與電路活動(dòng)無(wú)關(guān),。晶體管的泄漏電流主要由三部分組成：亞閾值漏電流,、柵極漏電流和源漏極反偏漏電流，已經(jīng)有文獻(xiàn)對(duì)它們的值進(jìn)行精確建模[4],。動(dòng)態(tài)功耗是器件核心或I/O在開關(guān)狀態(tài)切換中消耗的能量[1],。
其中Dynamic Power為動(dòng)態(tài)功耗；C為電容量,；V為工作電壓,；D為每個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒翻轉(zhuǎn)次數(shù)，f為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率,。
XPower給每個(gè)開關(guān)元件建立一個(gè)電容模型,，根據(jù)輸入文件中的信息和特定器件的電容、靜態(tài)功耗等來(lái)估算FPGA的功耗,。在輸入文件中,，設(shè)計(jì)文件NCD（native circuit description）提供FPGA布局布線信息；物理約束文件PCF（physical constraint file）提供了設(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率,、工作電壓等信息,； 用戶設(shè)置文件XML用于保存XPower的設(shè)置，在下次打開同一設(shè)計(jì)時(shí)不必重復(fù)這些設(shè)置,；仿真輸出文件VCD（Value Change Dump）提供了線網(wǎng)翻轉(zhuǎn)率情況,，它記錄了仿真時(shí)的信號(hào)變化情況，可以使功耗估算更接近實(shí)際情況[3],。NCD文件 ,、PCF文件和XML文件都根據(jù)FPGA邏輯設(shè)計(jì)代碼由ISE工具綜合實(shí)現(xiàn)后生成，VCD文件由ModelSim進(jìn)行時(shí)序仿真時(shí)生成,。
XPower的主要輸出文件為PWR文件,，即功耗報(bào)告文件，它分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分,。從不同的邏輯設(shè)計(jì)的功耗報(bào)告文件可以看出,，對(duì)同一款芯片，靜態(tài)功耗值比較固定,，F(xiàn)PGA的邏輯和工作頻率對(duì)它影響較小,；動(dòng)態(tài)功耗與FPGA邏輯使用的資源,，如I/O,、DCM、DSP模塊等相關(guān),，同時(shí)也與工作頻率以及寄存器和線網(wǎng)翻轉(zhuǎn)率相關(guān),。對(duì)靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗都有影響的因素是電壓和環(huán)境溫度。所有可以影響到動(dòng)態(tài)功耗的參數(shù)設(shè)置得越接近實(shí)際情況,，XPower估算結(jié)果就越精確,。所以XPower的參數(shù)設(shè)置很重要，特別是決定線網(wǎng)翻轉(zhuǎn)率的VCD文件,，它記錄的仿真情況需要真實(shí)準(zhǔn)確,。
FPGA設(shè)計(jì)流程如圖1所示，可以看出其中XPower估算功耗環(huán)節(jié)的重要性,，在功耗要求嚴(yán)格時(shí),，為了節(jié)約功耗常常需要修改設(shè)計(jì)文件。
1.2 XPower可靠性驗(yàn)證
為了測(cè)出FPGA工作時(shí)的實(shí)際功耗,，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng),，直接用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源對(duì)FPGA各電平供電。由于系統(tǒng)功耗較小,，需要考慮供電電源線上的分壓損耗,，應(yīng)在盡量靠近FPGA電源管腳處使用萬(wàn)用表測(cè)量電壓，并盡可能將該電壓調(diào)節(jié)到與設(shè)計(jì)中選用的供電標(biāo)準(zhǔn)一致(VCCO為3.3 V,，VCCINT為1.2 V,，VCCAUX為2.5 V)。
將配置文件下載到FPGA運(yùn)行后,，通過(guò)測(cè)量FPGA運(yùn)行時(shí)的電流和電源電壓得到FPGA實(shí)際功耗,。在XPower中選擇該配置文件相應(yīng)的輸入文件，并使生成VCD時(shí)序仿真文件的激勵(lì)與實(shí)際外界激勵(lì)一致,，且設(shè)置XPower中溫度,、頻率也與實(shí)測(cè)情況一致，可得FPGA在同樣的工作條件下的仿真功耗,。
該實(shí)驗(yàn)選用的FPGA為Xilinx Spartan 3e xc3s100eH,，環(huán)境溫度為25 ℃，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為18.432 MHz,。通過(guò)改變FPGA邏輯的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘數(shù)目,、邏輯使用量、I/O數(shù),、信號(hào)數(shù)等,，得到不同的FPGA邏輯配置文件。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量和XPower估算,，分別得到這些配置文件下的功耗測(cè)量數(shù)據(jù)和估算數(shù)據(jù),。如圖2所示,，橫坐標(biāo)為FPGA配置參數(shù)，縱坐標(biāo)為功耗值,。從結(jié)果看出,，測(cè)量值曲線很好地符合了估算值曲線。
2 優(yōu)化系統(tǒng)功耗的設(shè)計(jì)方法
影響FPGA功耗的因素有溫度,、電壓,、翻轉(zhuǎn)率等，把FPGA的功耗P和影響它的因素x看成函數(shù)關(guān)系P(x),，則減少功耗就是要尋找P(x)最小值,。當(dāng)x代表的物理量不同時(shí)，對(duì)應(yīng)P(x)的單調(diào)性也不同：x代表翻轉(zhuǎn)率時(shí),，從公式(1)得知,，翻轉(zhuǎn)率與動(dòng)態(tài)功耗呈線性關(guān)系，P(x)是單調(diào)遞增的,，降低翻轉(zhuǎn)率能有效減少動(dòng)態(tài)功耗,；x代表電壓和溫度時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[5]給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，在一定x范圍內(nèi),，P(x)單調(diào)遞增，降低溫度和電壓能顯著減少漏電流,。電源電壓降低5%就可以降低靜態(tài)功耗10%,，不過(guò)FPGA一般只能在標(biāo)準(zhǔn)電壓的±5%幅度內(nèi)調(diào)整。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,，不需要對(duì)P(x)精確建模,，只要大致確定P(x)的單調(diào)區(qū)間和單調(diào)性，就能找到功耗最小點(diǎn),。
通常會(huì)遇到一些對(duì)功耗影響復(fù)雜交錯(cuò)的因素,，它們對(duì)功耗的影響不容易判斷。假設(shè)有2個(gè)相互關(guān)聯(lián)的功耗影響因素x,、y,，P(x)、P(y)都是單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的,，但x和y不能同時(shí)向著P減少的方向變化,，此時(shí)功耗P的最小值需要綜合考慮x和y的取值。在P(x,，y)沒有建模的情況下,，可以通過(guò)對(duì)(x，y)參數(shù)取樣后樣點(diǎn)的P值來(lái)簡(jiǎn)單判斷P(x，y)最小值點(diǎn),，也就是選定(x1,，y1),、(x2,，y2)…(xn，yn)后,，通過(guò)比較P(x1,，y1)、P(x2,，y2)…P(xn,，yn)的大小得出最小值Pmin(xmin，ymin),。然后將(xmin,，ymin)反饋到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，便得到功耗最省的系統(tǒng),。
圖3所示為一種系統(tǒng)功耗優(yōu)化方法,，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，先確定對(duì)功耗有影響的2個(gè)關(guān)聯(lián)參數(shù)x,、y,，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，選定一系列(x,，y)組合,，在每個(gè)(x，y)樣點(diǎn)通過(guò)XPower估算FPGA的功耗,，再結(jié)合從數(shù)據(jù)手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)里得到的外圍設(shè)備的功耗,，可得到系統(tǒng)整體功耗值P(x，y),，通過(guò)分析這些樣點(diǎn)上的系統(tǒng)功耗值大小,，確定功耗最小點(diǎn)Pmin(xmin，ymin),。最后將這組參數(shù)(xmin,，ymin)反饋到設(shè)計(jì)中，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的,。
3 系統(tǒng)功耗優(yōu)化實(shí)例
3.1 FPGA讀寫SRAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)
FPGA讀寫SRAM的簡(jiǎn)單系統(tǒng)如圖4所示,。
為了與理論值比較，要求該系統(tǒng)功耗為可測(cè)的,。通過(guò)控制線rst和CE的電平高低來(lái)控制FPGA和SRAM工作狀態(tài),，通過(guò)測(cè)量電壓和電流可得到此時(shí)系統(tǒng)的功耗：當(dāng)rst為低時(shí)，F(xiàn)PGA和SRAM都為空閑狀態(tài)，測(cè)得的功耗為PFi+PSi(PFi為FPGA在idle狀態(tài)的功耗,，PSi為SRAM在idle狀態(tài)的功耗,，PFw為FPGA在work狀態(tài)的功耗，PSw為SRAM在work狀態(tài)的功耗,，下同),；當(dāng)rst為高，CE為高時(shí),，F(xiàn)PGA為工作狀態(tài),，SRAM為空閑狀態(tài)，測(cè)得的功耗為PFw+PSi,；當(dāng)rst為高,，CE為低時(shí)，F(xiàn)PGA和SRAM都為工作狀態(tài),，測(cè)得的功耗為PFw+PSw,。由SRAM數(shù)據(jù)手冊(cè)得知，PSi在?滋W量級(jí)[6]時(shí)可忽略不計(jì),，所以控制線與所測(cè)得功耗關(guān)系如表1所示,。
選取讀寫頻率與讀寫時(shí)間占空比兩個(gè)因素分別做為功耗影響因素x、y,，當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)線位寬為8 bit時(shí),，在滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀寫率為6 KB/s的前提下，只要x·y=6 K/s便能滿足,，如(6 kHz,，1)、(12 kHz,，0.5),、(1 MHz，0.006)等,。在理想狀態(tài)下,，當(dāng)整體翻轉(zhuǎn)率一樣時(shí)，功耗是一樣的,，與讀寫頻率和讀寫時(shí)間占空比無(wú)關(guān),。但是實(shí)際中由于FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)的差異，所以功耗會(huì)有差別,，需要考慮x和y的取值來(lái)選擇一個(gè)功耗最小點(diǎn),。這里考慮的讀寫頻率x的范圍為0.5 MHz～9 MHz，故讀寫時(shí)間占空比y的范圍為6.7·10-4～0.012,。
3.2 功耗估算與功耗測(cè)量結(jié)果
圖5(a)為PFw,、PFi的估算值,，圖5(b)為測(cè)量值，其中黑線為PFw,，灰線為PFi,。圖6為測(cè)得的PSw值。由于y為讀寫時(shí)間占空比,，所以(1-y)為系統(tǒng)空閑時(shí)間占空比,，故系統(tǒng)平均功耗P為：
P=(PFw+PSw)·y+PFi(1-y) (2)
又：y=6 kHz/x MHz (3)
由(2)、(3)式和圖5,、圖6中的數(shù)據(jù),，可得P關(guān)于x的曲線圖,，如圖7所示,。
通過(guò)對(duì)比估算值與實(shí)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，估算值與實(shí)測(cè)值曲線基本吻合,，它們的最小點(diǎn)都出現(xiàn)在x為9 MHz處,。
由以上結(jié)果可知，當(dāng)讀寫頻率與讀寫時(shí)間占空比不同時(shí),，系統(tǒng)整體功耗是有差距的,。系統(tǒng)采用(9 MHz，6.7×10-4)的參數(shù)是最省功耗的,，即系統(tǒng)每秒鐘以9 MHz頻率工作6.7×10-4 s,，其余時(shí)間空閑，比系統(tǒng)用其他讀寫頻率和讀寫時(shí)間占空比的平均功耗要小,。在所取樣點(diǎn)中,，最小功耗值比樣點(diǎn)中的平均功耗值節(jié)約了10%左右的功耗，可見此方法在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中可以很好地對(duì)系統(tǒng)功耗進(jìn)行優(yōu)化,。
對(duì)電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，減少功耗可以帶來(lái)很多好處，除了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的散熱處理及系統(tǒng)集成方面的工序,、節(jié)約成本外,，還能提高系統(tǒng)可靠性、降低熱噪聲干擾等,。對(duì)便攜式儀器,、野外工作儀器等電池供電的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還能延長(zhǎng)電池壽命,，減少更換電池的麻煩,。
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