低功耗FPGA電子系統(tǒng)優(yōu)化方法
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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。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/191793.htm
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。
評(píng)論