低功耗FPGA电子系统优化方法

FPGA在各种电路设计中广泛应用，如何对FPGA系统进行低功耗优化成为一个重要的现实问题。从最早的FPGA功耗模型的建立[1]，到较完善的FPGA功耗估算模型[2]，再到现在功耗估算工具的出现[3]，FPGA设计时对功耗的预估已经越来越准确，节约功耗的方法也越来越多样。本文基于FPGA功耗的预估，提出将影响功耗的因素做为功耗函数的参数，根据参数取样并预估样点功耗找到功耗函数的最小值，从而得到最佳参数以优化系统设计并节约系统功耗的方法。设计了一个FPGA读写常用存储器SRAM的系统，选取了读写频率与读写时间占空比这两个参数来优化系统功耗，通过对比预估值与实测值证明了该方法的正确性。
1 FPGA功耗估算工具
1.1 XPower介绍
　　Xilinx公司的ISE Design Suite工具套件中提供了功耗仿真器XPower Analyzer，它可以对可编程逻辑器件的功耗进行分析[3]。功耗来源分静态功耗和动态功耗两部分[1]。静态功耗主要由晶体管的泄漏电流和FPGA偏置电流引起，它与工艺技术、晶体管特性、晶体管个数、采用的绝缘介质等因素有关，这些是由FPGA本身决定的，与电路活动无关。晶体管的泄漏电流主要由三部分组成：亚阈值漏电流、栅极漏电流和源漏极反偏漏电流，已经有文献对它们的值进行精确建模[4]。动态功耗是器件核心或I/O在开关状态切换中消耗的能量[1]。

　　其中Dynamic Power为动态功耗；C为电容量；V为工作电压；D为每个节点每秒翻转次数，f为系统时钟频率。
　　XPower给每个开关元件建立一个电容模型，根据输入文件中的信息和特定器件的电容、静态功耗等来估算FPGA的功耗。在输入文件中，设计文件NCD（native circuit description）提供FPGA布局布线信息；物理约束文件PCF（physical constraint file）提供了设计的时钟频率、工作电压等信息； 用户设置文件XML用于保存XPower的设置，在下次打开同一设计时不必重复这些设置；仿真输出文件VCD（Value Change Dump）提供了线网翻转率情况，它记录了仿真时的信号变化情况，可以使功耗估算更接近实际情况[3]。NCD文件 、PCF文件和XML文件都根据FPGA逻辑设计代码由ISE工具综合实现后生成，VCD文件由ModelSim进行时序仿真时生成。
　　XPower的主要输出文件为PWR文件，即功耗报告文件，它分为静态功耗和动态功耗两部分。从不同的逻辑设计的功耗报告文件可以看出，对同一款芯片，静态功耗值比较固定，FPGA的逻辑和工作频率对它影响较小；动态功耗与FPGA逻辑使用的资源，如I/O、DCM、DSP模块等相关，同时也与工作频率以及寄存器和线网翻转率相关。对静态功耗与动态功耗都有影响的因素是电压和环境温度。所有可以影响到动态功耗的参数设置得越接近实际情况，XPower估算结果就越精确。所以XPower的参数设置很重要，特别是决定线网翻转率的VCD文件，它记录的仿真情况需要真实准确。
　　FPGA设计流程如图1所示，可以看出其中XPower估算功耗环节的重要性，在功耗要求严格时，为了节约功耗常常需要修改设计文件。

1.2 XPower可靠性验证
　　为了测出FPGA工作时的实际功耗，设计了一个简单系统，直接用可调直流稳压电源对FPGA各电平供电。由于系统功耗较小，需要考虑供电电源线上的分压损耗，应在尽量靠近FPGA电源管脚处使用万用表测量电压，并尽可能将该电压调节到与设计中选用的供电标准一致(VCCO为3.3 V，VCCINT为1.2 V，VCCAUX为2.5 V)。
　　将配置文件下载到FPGA运行后，通过测量FPGA运行时的电流和电源电压得到FPGA实际功耗。在XPower中选择该配置文件相应的输入文件，并使生成VCD时序仿真文件的激励与实际外界激励一致，且设置XPower中温度、频率也与实测情况一致，可得FPGA在同样的工作条件下的仿真功耗。
　　该实验选用的FPGA为Xilinx Spartan 3e xc3s100eH，环境温度为25 ℃，驱动时钟频率为18.432 MHz。通过改变FPGA逻辑的驱动时钟数目、逻辑使用量、I/O数、信号数等，得到不同的FPGA逻辑配置文件。经过实际测量和XPower估算，分别得到这些配置文件下的功耗测量数据和估算数据。如图2所示，横坐标为FPGA配置参数，纵坐标为功耗值。从结果看出，测量值曲线很好地符合了估算值曲线。

[p] 2 优化系统功耗的设计方法
　　影响FPGA功耗的因素有温度、电压、翻转率等，把FPGA的功耗P和影响它的因素x看成函数关系P(x)，则减少功耗就是要寻找P(x)最小值。当x代表的物理量不同时，对应P(x)的单调性也不同：x代表翻转率时，从公式(1)得知，翻转率与动态功耗呈线性关系，P(x)是单调递增的，降低翻转率能有效减少动态功耗；x代表电压和温度时，根据文献[5]给出的实验结果表明，在一定x范围内，P(x)单调递增，降低温度和电压能显著减少漏电流。电源电压降低5%就可以降低静态功耗10%，不过FPGA一般只能在标准电压的±5%幅度内调整。在实际设计中，不需要对P(x)精确建模，只要大致确定P(x)的单调区间和单调性，就能找到功耗最小点。
　　通常会遇到一些对功耗影响复杂交错的因素，它们对功耗的影响不容易判断。假设有2个相互关联的功耗影响因素x、y，P(x)、P(y)都是单调递增或单调递减的，但x和y不能同时向着P减少的方向变化，此时功耗P的最小值需要综合考虑x和y的取值。在P(x，y)没有建模的情况下，可以通过对(x，y)参数取样后样点的P值来简单判断P(x，y)最小值点，也就是选定(x1，y1)、(x2，y2)…(xn，yn)后，通过比较P(x1，y1)、P(x2，y2)…P(xn，yn)的大小得出最小值Pmin(xmin，ymin)。然后将(xmin，ymin)反馈到系统设计中，便得到功耗最省的系统。
　　图3所示为一种系统功耗优化方法，在系统设计时，先确定对功耗有影响的2个关联参数x、y，在满足系统要求的前提下，选定一系列(x，y)组合，在每个(x，y)样点通过XPower估算FPGA的功耗，再结合从数据手册或实验里得到的外围设备的功耗，可得到系统整体功耗值P(x，y)，通过分析这些样点上的系统功耗值大小，确定功耗最小点P_min(x_min，y_min)。最后将这组参数(x_min，y_min)反馈到设计中，从而达到优化系统设计的目的。

3 系统功耗优化实例
3.1 FPGA读写SRAM系统设计
　　FPGA读写SRAM的简单系统如图4所示。

　　为了与理论值比较，要求该系统功耗为可测的。通过控制线rst和CE的电平高低来控制FPGA和SRAM工作状态，通过测量电压和电流可得到此时系统的功耗：当rst为低时，FPGA和SRAM都为空闲状态，测得的功耗为PFi+PSi(PFi为FPGA在idle状态的功耗，PSi为SRAM在idle状态的功耗，PFw为FPGA在work状态的功耗，PSw为SRAM在work状态的功耗，下同)；当rst为高，CE为高时，FPGA为工作状态，SRAM为空闲状态，测得的功耗为PFw+PSi；当rst为高，CE为低时，FPGA和SRAM都为工作状态，测得的功耗为PFw+PSw。由SRAM数据手册得知，PSi在 滋W量级[6]时可忽略不计，所以控制线与所测得功耗关系如表1所示。

　　选取读写频率与读写时间占空比两个因素分别做为功耗影响因素x、y，当系统数据线位宽为8 bit时，在满足系统数据读写率为6 KB/s的前提下，只要x·y=6 K/s便能满足，如(6 kHz，1)、(12 kHz，0.5)、(1 MHz，0.006)等。在理想状态下，当整体翻转率一样时，功耗是一样的，与读写频率和读写时间占空比无关。但是实际中由于FPGA逻辑实现的差异，所以功耗会有差别，需要考虑x和y的取值来选择一个功耗最小点。这里考虑的读写频率x的范围为0.5 MHz～9 MHz，故读写时间占空比y的范围为6.7·10-4～0.012。
[p] 3.2 功耗估算与功耗测量结果
　　图5(a)为PFw、PFi的估算值，图5(b)为测量值，其中黑线为PFw，灰线为PFi。图6为测得的PSw值。由于y为读写时间占空比，所以(1-y)为系统空闲时间占空比，故系统平均功耗P为：
 　　P=(P_Fw+P_Sw)·y+P_Fi(1-y)　　(2)
 又：y=6 kHz/x MHz　　　　　　　(3)
 　　由(2)、(3)式和图5、图6中的数据，可得P关于x的曲线图，如图7所示。

　　通过对比估算值与实测值发现，估算值与实测值曲线基本吻合，它们的最小点都出现在x为9 MHz处。
　　由以上结果可知，当读写频率与读写时间占空比不同时，系统整体功耗是有差距的。系统采用(9 MHz，6.7×10-4)的参数是最省功耗的，即系统每秒钟以9 MHz频率工作6.7×10^-4 s，其余时间空闲，比系统用其他读写频率和读写时间占空比的平均功耗要小。在所取样点中，最小功耗值比样点中的平均功耗值节约了10%左右的功耗，可见此方法在现实设计中可以很好地对系统功耗进行优化。
　　 对电子系统来说，减少功耗可以带来很多好处，除了简化系统的散热处理及系统集成方面的工序、节约成本外，还能提高系统可靠性、降低热噪声干扰等。对便携式仪器、野外工作仪器等电池供电的系统来说，还能延长电池寿命，减少更换电池的麻烦。