摘 要： 首先與實測系統(tǒng)功耗進行對比，驗證了Xilinx公司ISE軟件包中FPGA功耗估算工具XPower的準確性。然后對FPGA設(shè)計中影響系統(tǒng)功耗的幾個相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)進行取樣，通過軟件估算不同樣點下的系統(tǒng)功耗，找到功耗最低的取樣點，得到最佳設(shè)計參數(shù)，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計的目的。實驗中通過這種方法，在一個FPGA讀寫SRAM的系統(tǒng)中，在單位時間讀寫操作數(shù)固定的條件下，選取了讀寫頻率與讀寫時間占空比這兩個參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)功耗。最終測試數(shù)據(jù)證明了該方法的正確性。
關(guān)鍵詞： XPower；現(xiàn)場可編程門陣列；低功耗；SRAM
FPGA在各種電路設(shè)計中廣泛應(yīng)用，如何對FPGA系統(tǒng)進行低功耗優(yōu)化成為一個重要的現(xiàn)實問題。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)計時對功耗的預估已經(jīng)越來越準確，節(jié)約功耗的方法也越來越多樣。本文基于FPGA功耗的預估，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)取樣并預估樣點功耗找到功耗函數(shù)的最小值，從而得到最佳參數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計并節(jié)約系統(tǒng)功耗的方法。設(shè)計了一個FPGA讀寫常用存儲器SRAM的系統(tǒng)，選取了讀寫頻率與讀寫時間占空比這兩個參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)功耗，通過對比預估值與實測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，它可以對可編程邏輯器件的功耗進行分析[3]。功耗來源分靜態(tài)功耗和動態(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，與電路活動無關(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)有文獻對它們的值進行精確建模[4]。動態(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為動態(tài)功耗；C為電容量；V為工作電壓；D為每個節(jié)點每秒翻轉(zhuǎn)次數(shù)，f為系統(tǒng)時鐘頻率。
XPower給每個開關(guān)元件建立一個電容模型，根據(jù)輸入文件中的信息和特定器件的電容、靜態(tài)功耗等來估算FPGA的功耗。在輸入文件中，設(shè)計文件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)計的時鐘頻率、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)計時不必重復這些設(shè)置；仿真輸出文件VCD（Value Change Dump）提供了線網(wǎng)翻轉(zhuǎn)率情況，它記錄了仿真時的信號變化情況，可以使功耗估算更接近實際情況[3]。NCD文件 、PCF文件和XML文件都根據(jù)FPGA邏輯設(shè)計代碼由ISE工具綜合實現(xiàn)后生成，VCD文件由ModelSim進行時序仿真時生成。
XPower的主要輸出文件為PWR文件，即功耗報告文件，它分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分。從不同的邏輯設(shè)計的功耗報告文件可以看出，對同一款芯片，靜態(tài)功耗值比較固定，F(xiàn)PGA的邏輯和工作頻率對它影響較小；動態(tài)功耗與FPGA邏輯使用的資源，如I/O、DCM、DSP模塊等相關(guān)，同時也與工作頻率以及寄存器和線網(wǎng)翻轉(zhuǎn)率相關(guān)。對靜態(tài)功耗與動態(tài)功耗都有影響的因素是電壓和環(huán)境溫度。所有可以影響到動態(tài)功耗的參數(shù)設(shè)置得越接近實際情況，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準確。
FPGA設(shè)計流程如圖1所示，可以看出其中XPower估算功耗環(huán)節(jié)的重要性，在功耗要求嚴格時，為了節(jié)約功耗常常需要修改設(shè)計文件。
1.2 XPower可靠性驗證
為了測出FPGA工作時的實際功耗，設(shè)計了一個簡單系統(tǒng)，直接用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源對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電源管腳處使用萬用表測量電壓，并盡可能將該電壓調(diào)節(jié)到與設(shè)計中選用的供電標準一致(VCCO為3.3 V，VCCINT為1.2 V，VCCAUX為2.5 V)。
將配置文件下載到FPGA運行后，通過測量FPGA運行時的電流和電源電壓得到FPGA實際功耗。在XPower中選擇該配置文件相應(yīng)的輸入文件，并使生成VCD時序仿真文件的激勵與實際外界激勵一致，且設(shè)置XPower中溫度、頻率也與實測情況一致，可得FPGA在同樣的工作條件下的仿真功耗。
該實驗選用的FPGA為Xilinx Spartan 3e xc3s100eH，環(huán)境溫度為25 ℃，驅(qū)動時鐘頻率為18.432 MHz。通過改變FPGA邏輯的驅(qū)動時鐘數(shù)目、邏輯使用量、I/O數(shù)、信號數(shù)等，得到不同的FPGA邏輯配置文件。經(jīng)過實際測量和XPower估算，分別得到這些配置文件下的功耗測量數(shù)據(jù)和估算數(shù)據(jù)。如圖2所示，橫坐標為FPGA配置參數(shù)，縱坐標為功耗值。從結(jié)果看出，測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x代表的物理量不同時，對應(yīng)P(x)的單調(diào)性也不同：x代表翻轉(zhuǎn)率時，從公式(1)得知，翻轉(zhuǎn)率與動態(tài)功耗呈線性關(guān)系，P(x)是單調(diào)遞增的，降低翻轉(zhuǎn)率能有效減少動態(tài)功耗；x代表電壓和溫度時，根據(jù)文獻[5]給出的實驗結(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FPGA一般只能在標準電壓的±5%幅度內(nèi)調(diào)整。在實際設(shè)計中，不需要對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。
通常會遇到一些對功耗影響復雜交錯的因素，它們對功耗的影響不容易判斷。假設(shè)有2個相互關(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不能同時向著P減少的方向變化，此時功耗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，可以通過對(x，y)參數(shù)取樣后樣點的P值來簡單判斷P(x，y)最小值點，也就是選定(x1，y1)、(x2，y2)…(xn，yn)后，通過比較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)計時，先確定對功耗有影響的2個關(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(x，y)樣點通過XPower估算FPGA的功耗，再結(jié)合從數(shù)據(jù)手冊或?qū)嶒灷锏玫降耐鈬O(shè)備的功耗，可得到系統(tǒng)整體功耗值P(x，y)，通過分析這些樣點上的系統(tǒng)功耗值大小，確定功耗最小點Pmin(xmin，ymin)。最后將這組參數(shù)(xmin，ymin)反饋到設(shè)計中，從而達到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計的目的。
3 系統(tǒng)功耗優(yōu)化實例
3.1 FPGA讀寫SRAM系統(tǒng)設(shè)計
FPGA讀寫SRAM的簡單系統(tǒng)如圖4所示。
為了與理論值比較，要求該系統(tǒng)功耗為可測的。通過控制線rst和CE的電平高低來控制FPGA和SRAM工作狀態(tài)，通過測量電壓和電流可得到此時系統(tǒng)的功耗：當rst為低時，F(xiàn)PGA和SRAM都為空閑狀態(tài)，測得的功耗為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rst為高，CE為高時，F(xiàn)PGA為工作狀態(tài)，SRAM為空閑狀態(tài)，測得的功耗為PFw+PSi；當rst為高，CE為低時，F(xiàn)PGA和SRAM都為工作狀態(tài)，測得的功耗為PFw+PSw。由SRAM數(shù)據(jù)手冊得知，PSi在?滋W量級[6]時可忽略不計，所以控制線與所測得功耗關(guān)系如表1所示。
選取讀寫頻率與讀寫時間占空比兩個因素分別做為功耗影響因素x、y，當系統(tǒng)數(shù)據(jù)線位寬為8 bit時，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，當整體翻轉(zhuǎn)率一樣時，功耗是一樣的，與讀寫頻率和讀寫時間占空比無關(guān)。但是實際中由于FPGA邏輯實現(xiàn)的差異，所以功耗會有差別，需要考慮x和y的取值來選擇一個功耗最小點。這里考慮的讀寫頻率x的范圍為0.5 MHz～9 MHz，故讀寫時間占空比y的范圍為6.7·10-4～0.012。
3.2 功耗估算與功耗測量結(jié)果
圖5(a)為PFw、PFi的估算值，圖5(b)為測量值，其中黑線為PFw，灰線為PFi。圖6為測得的PSw值。由于y為讀寫時間占空比，所以(1-y)為系統(tǒng)空閑時間占空比，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。
通過對比估算值與實測值發(fā)現(xiàn)，估算值與實測值曲線基本吻合，它們的最小點都出現(xiàn)在x為9 MHz處。
由以上結(jié)果可知，當讀寫頻率與讀寫時間占空比不同時，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，其余時間空閑，比系統(tǒng)用其他讀寫頻率和讀寫時間占空比的平均功耗要小。在所取樣點中，最小功耗值比樣點中的平均功耗值節(jié)約了10%左右的功耗，可見此方法在現(xiàn)實設(shè)計中可以很好地對系統(tǒng)功耗進行優(yōu)化。
對電子系統(tǒng)來說，減少功耗可以帶來很多好處，除了簡化系統(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。對便攜式儀器、野外工作儀器等電池供電的系統(tǒng)來說，還能延長電池壽命，減少更換電池的麻煩。
參考文獻
[1] POON K K W，YAN A，WILTON SJE.A flexible power model for FPGAs[C].12th international conference on fieldprogrammable logic and applications，2002，(9).Lecture Notes in Comp.Sc.2438，Springer-Verlag：48-58.
[2] LI Fei，CHEN De Ming，HE Lei，et al.Architecture evaluation for power-efficient FPGAs[C].ACM intl.Symp.on FPGA. Los Angels：ACM，2003：175-184.
[3] Xilinx.Xilinx XPower estimator user guide[EB/OL].http：// www.xilinx.com/products/design_resources/power_central/ ug440.pdf，2007-06-05.
[4] Saibal Mukhopadhyay，Arijit Raychowdhury，Kaushik Roy. Accurate estimation of total leakage current in scaled CMOS logic circuits based on compact current modeling[J]. Annual ACM IEEE design automation conference poceedings of the 40th conference on design automation，2003：169-174.
[5] Tuan T，Trimberger S.FPGA架構(gòu)的功耗[J].今日電子，2007(9)：86-89.
[6] Cypress Semiconductor Corporation.CY62167DV30[EB/OL]. http：//www.cypress.com/?rID=13630，2004-06-21.