摘 要： 首先與實測系統功耗進行對比，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設計中影響系統功耗的幾個相互關聯的參數進行取樣，通過軟件估算不同樣點下的系統功耗，找到功耗最低的取樣點，得到最佳設計參數，從而達到優化系統設計的目的。實驗中通過這種方法，在一個FPGA讀寫SRAM的系統中，在單位時間讀寫操作數固定的條件下，選取了讀寫頻率與讀寫時間占空比這兩個參數來優化系統功耗。最終測試數據證明了該方法的正確性。
關鍵詞： XPower；現場可編程門陣列；低功耗；SRAM
FPGA在各種電路設計中廣泛應用，如何對FPGA系統進行低功耗優化成為一個重要的現實問題。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]，再到現在功耗估算工具的出現[3]，FPGA設計時對功耗的預估已經越來越準確，節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的參數，根據參數取樣并預估樣點功耗找到功耗函數的最小值，從而得到最佳參數以優化系統設計并節約系統功耗的方法。設計了一個FPGA讀寫常用存儲器SRAM的系統，選取了讀寫頻率與讀寫時間占空比這兩個參數來優化系統功耗，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]。功耗來源分靜態功耗和動態功耗兩部分[1]。靜態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、晶體管特性、晶體管個數、采用的絕緣介質等因素有關，這些是由FPGA本身決定的，與電路活動無關。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，已經有文獻對它們的值進行精確建模[4]。動態功耗是器件核心或I/O在開關狀態切換中消耗的能量[1]。
其中Dynamic Power為動態功耗；C為電容量；V為工作電壓；D為每個節點每秒翻轉次數，f為系統時鐘頻率。
XPower給每個開關元件建立一個電容模型，根據輸入文件中的信息和特定器件的電容、靜態功耗等來估算FPGA的功耗。在輸入文件中，設計文件NCD（native circuit description）提供FPGA布局布線信息；物理約束文件PCF（physical constraint file）提供了設計的時鐘頻率、工作電壓等信息； 用戶設置文件XML用于保存XPower的設置，在下次打開同一設計時不必重復這些設置；仿真輸出文件VCD（Value Change Dump）提供了線網翻轉率情況，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FPGA邏輯設計代碼由ISE工具綜合實現后生成，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，它分為靜態功耗和動態功耗兩部分。從不同的邏輯設計的功耗報告文件可以看出，對同一款芯片，靜態功耗值比較固定，FPGA的邏輯和工作頻率對它影響較小；動態功耗與FPGA邏輯使用的資源，如I/O、DCM、DSP模塊等相關，同時也與工作頻率以及寄存器和線網翻轉率相關。對靜態功耗與動態功耗都有影響的因素是電壓和環境溫度。所有可以影響到動態功耗的參數設置得越接近實際情況，XPower估算結果就越精確。所以XPower的參數設置很重要，特別是決定線網翻轉率的VCD文件，它記錄的仿真情況需要真實準確。
FPGA設計流程如圖1所示，可以看出其中XPower估算功耗環節的重要性，在功耗要求嚴格時，為了節約功耗常常需要修改設計文件。
1.2 XPower可靠性驗證
為了測出FPGA工作時的實際功耗，設計了一個簡單系統，直接用可調直流穩壓電源對FPGA各電平供電。由于系統功耗較小，需要考慮供電電源線上的分壓損耗，應在盡量靠近FPGA電源管腳處使用萬用表測量電壓，并盡可能將該電壓調節到與設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，環境溫度為25 ℃，驅動時鐘頻率為18.432 MHz。通過改變FPGA邏輯的驅動時鐘數目、邏輯使用量、I/O數、信號數等，得到不同的FPGA邏輯配置文件。經過實際測量和XPower估算，分別得到這些配置文件下的功耗測量數據和估算數據。如圖2所示，橫坐標為FPGA配置參數，縱坐標為功耗值。從結果看出，測量值曲線很好地符合了估算值曲線。
2 優化系統功耗的設計方法
影響FPGA功耗的因素有溫度、電壓、翻轉率等，把FPGA的功耗P和影響它的因素x看成函數關系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P(x)的單調性也不同：x代表翻轉率時，從公式(1)得知，翻轉率與動態功耗呈線性關系，P(x)是單調遞增的，降低翻轉率能有效減少動態功耗；x代表電壓和溫度時，根據文獻[5]給出的實驗結果表明，在一定x范圍內，P(x)單調遞增，降低溫度和電壓能顯著減少漏電流。電源電壓降低5%就可以降低靜態功耗10%，不過FPGA一般只能在標準電壓的±5%幅度內調整。在實際設計中，不需要對P(x)精確建模，只要大致確定P(x)的單調區間和單調性，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。假設有2個相互關聯的功耗影響因素x、y，P(x)、P(y)都是單調遞增或單調遞減的，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)反饋到系統設計中，便得到功耗最省的系統。
圖3所示為一種系統功耗優化方法，在系統設計時，先確定對功耗有影響的2個關聯參數x、y，在滿足系統要求的前提下，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，再結合從數據手冊或實驗里得到的外圍設備的功耗，可得到系統整體功耗值P(x，y)，通過分析這些樣點上的系統功耗值大小，確定功耗最小點Pmin(xmin，ymin)。最后將這組參數(xmin，ymin)反饋到設計中，從而達到優化系統設計的目的。
3 系統功耗優化實例
3.1 FPGA讀寫SRAM系統設計
FPGA讀寫SRAM的簡單系統如圖4所示。
為了與理論值比較，要求該系統功耗為可測的。通過控制線rst和CE的電平高低來控制FPGA和SRAM工作狀態，通過測量電壓和電流可得到此時系統的功耗：當rst為低時，FPGA和SRAM都為空閑狀態，測得的功耗為PFi+PSi(PFi為FPGA在idle狀態的功耗，PSi為SRAM在idle狀態的功耗，PFw為FPGA在work狀態的功耗，PSw為SRAM在work狀態的功耗，下同)；當rst為高，CE為高時，FPGA為工作狀態，SRAM為空閑狀態，測得的功耗為PFw+PSi；當rst為高，CE為低時，FPGA和SRAM都為工作狀態，測得的功耗為PFw+PSw。由SRAM數據手冊得知，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，當系統數據線位寬為8 bit時，在滿足系統數據讀寫率為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。在理想狀態下，當整體翻轉率一樣時，功耗是一樣的，與讀寫頻率和讀寫時間占空比無關。但是實際中由于FPGA邏輯實現的差異，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)為系統空閑時間占空比，故系統平均功耗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中的數據，可得P關于x的曲線圖，如圖7所示。
通過對比估算值與實測值發現，估算值與實測值曲線基本吻合，它們的最小點都出現在x為9 MHz處。
由以上結果可知，當讀寫頻率與讀寫時間占空比不同時，系統整體功耗是有差距的。系統采用(9 MHz，6.7×10-4)的參數是最省功耗的，即系統每秒鐘以9 MHz頻率工作6.7×10-4 s，其余時間空閑，比系統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約了10%左右的功耗，可見此方法在現實設計中可以很好地對系統功耗進行優化。
對電子系統來說，減少功耗可以帶來很多好處，除了簡化系統的散熱處理及系統集成方面的工序、節約成本外，還能提高系統可靠性、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來說，還能延長電池壽命，減少更換電池的麻煩。
參考文獻
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[6] Cypress Semiconductor Corporation.CY62167DV30[EB/OL]. http：//www.cypress.com/?rID=13630，2004-06-21.