本文首先與實(shí)測系統(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。

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)越來越準(zhǔn)確，節(jié)約功耗的方法也越來越多樣。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)來優(yōu)化系統(tǒng)功耗，通過對(duì)比預(yù)估值與實(shí)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(duì)可編程邏輯器件的功耗進(jìn)行分析[3]。功耗來源分靜態(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

為了測出FPGA工作時(shí)的實(shí)際功耗，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單系統(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電源管腳處使用萬用表測量電壓，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，通過測量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)過實(shí)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(biāo)為FPGA配置參數(shù)，縱坐標(biāo)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(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，可以通過對(duì)(x，y)參數(shù)取樣后樣點(diǎn)的P值來簡單判斷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。

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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(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(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。

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通過對(duì)比估算值與實(shí)測值發(fā)現(xiàn)，估算值與實(shí)測值曲線基本吻合，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(duì)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。