具有低功耗意識(shí)的FPGA設(shè)計(jì)方法

ILGOO系列低功耗FPGA產(chǎn)品

　　Actel公司的ILGOO系列器件是低功耗FPGA產(chǎn)品，是在便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)中替代ASIC和CPLD的最佳方案。它在Flash*Freeze模式時(shí)的靜態(tài)功耗最低可達(dá)到2μW，電池壽命是采用主流PLD的產(chǎn)品的5倍以上。針對(duì)I/O需求數(shù)目更多的低功耗應(yīng)用，Actel可以提供IGLOO PLUS系列，規(guī)模分別是3萬、6萬和12.5萬門。和相同封裝的IGLOO器件相比，可以提供最多多出64%的I/O。其所有的器件都支持4個(gè)I/O Bank。在多電壓應(yīng)用環(huán)境中比較有利，并且支持熱插拔和施密特觸發(fā)器。Actel在IGLOO系列產(chǎn)品的開發(fā)過程中，對(duì)靜態(tài)功耗的主要物理來源——漏電流方面做了改進(jìn)。同時(shí)在生產(chǎn)過程中對(duì)產(chǎn)率、速度以及可靠性做了嚴(yán)密的監(jiān)控。

　　采用IGLOO器件的低功耗優(yōu)勢從哪些方面獲得呢？首先來自IGLOO器件本身對(duì)漏電流源頭的控制，以及器件所提供的各種節(jié)省功耗的特性的實(shí)現(xiàn)和各種最少功耗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。除此之外，設(shè)計(jì)中采用一些低功耗技巧，也可以降低靜態(tài)功耗。

　　IGLOO具有功耗友好的器件架構(gòu)，能提供靜態(tài)、睡眠、Flash*Freeze功耗模式，允許采用動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)技術(shù)來降低系統(tǒng)整體實(shí)際功耗。提供可選擇的1.2V和1.5V的I/O和核電壓，以方便用戶平衡設(shè)計(jì)的性能和功耗之間的關(guān)系。IGLOO的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)可以沒有副作用的對(duì)全局信號(hào)和局部信號(hào)進(jìn)行門控制。另外IGLOO的RAM模塊具有LP和F*F端口來控制RAM本身的靜態(tài)功耗。

　　系統(tǒng)溫度及功耗概況

　　工業(yè)、汽車電子、軍事, 甚至商業(yè)類客戶都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的溫度和運(yùn)行模式的概況有規(guī)定。這些概況指引我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要注意哪些地方以及精力該如何分配。IGLOO器件的低功耗工藝和硅片設(shè)計(jì)由Actel來保證，用戶所要關(guān)注的是：關(guān)心器件的選型、掌握所使用的FPGA的架構(gòu)、掌握PCB的板級(jí)布局（主要是電容及I/O的走線）。

　　對(duì)于同一系列的器件來說，器件的die越小，器件的功耗也會(huì)越小。也就是說，在選用器件的時(shí)候，應(yīng)該盡量選擇規(guī)模小的器件。選定器件后，可以在設(shè)計(jì)過程中，通過一些技巧盡可能的少占用資源，比如通過時(shí)分復(fù)用的方式少占用I/O，共享加法、乘法等算法邏輯，共享RAM等，同時(shí)也有必要了解所選用的FPGA的架構(gòu)。

　　用戶需要在功耗和速度之間做平衡，在對(duì)速度性能要求不高的時(shí)候，盡量使用低的核電壓和低電壓的I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計(jì)工作的實(shí)際狀況，在某些時(shí)候?qū)?dāng)前不工作的資源關(guān)掉，比如通過控制SRAM的LP或BLK引腳，使其在不工作的時(shí)候可以被關(guān)斷，或者是通過Flash Freeze端口進(jìn)入Fresh Frezee模式以降低靜態(tài)功耗。在PLL不需要工作的時(shí)候，通過Power Down引腳將其關(guān)掉，不過需要注意的是，需要考慮重新開啟以后，PLL的鎖定時(shí)間對(duì)系統(tǒng)是不是有影響。關(guān)掉沒有輸入總線的I/O Bank。

　　注意，不要濫用上拉/下拉電阻。在活動(dòng)模式下，如果總線被反向模式驅(qū)動(dòng)（如上拉的被“0”驅(qū)動(dòng)，或下拉的被“1”驅(qū)動(dòng)），那么每個(gè)I/O上的電流會(huì)增加。要預(yù)防被驅(qū)動(dòng)的總線進(jìn)入3態(tài)狀態(tài)。除非FPGA的工作時(shí)間確實(shí)短，否則建議跟板子設(shè)計(jì)者溝通以確保對(duì)輸入進(jìn)行持續(xù)的驅(qū)動(dòng)。

　　要降低設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)功耗，首先要了解影響動(dòng)態(tài)功耗的因素。動(dòng)態(tài)功耗通常和電壓、信號(hào)翻轉(zhuǎn)頻率、容性負(fù)載正相關(guān)，設(shè)計(jì)所占用的邏輯資源越多、時(shí)鐘頻率越高、I/O和RAM越多，動(dòng)態(tài)功耗就越大。同時(shí)也需要分析設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)功耗概況。

　　確定要降低的動(dòng)態(tài)功耗的目標(biāo)，如果要降低的動(dòng)態(tài)功耗的目標(biāo)是目前整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗的20%，那么選用Actel的IGLOO器件或許就可以實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的目標(biāo)。如果目標(biāo)是80%，那么除了選用IGLOO器件外，還需要從系統(tǒng)和架構(gòu)上去考慮。

　　針對(duì)不同的系統(tǒng)功耗的概況，梳理動(dòng)態(tài)功耗的重點(diǎn)，見圖1。針對(duì)Case1中動(dòng)態(tài)功耗的示意圖，我們可以看出其功耗主要分布在邏輯、存儲(chǔ)和時(shí)鐘方面，這樣我們的精力就不能放在如何降低I/O的功耗上去，而針對(duì)Case3這種情況，如果要降低動(dòng)態(tài)功耗，就必須要解決I/O上的功耗問題。

圖1 不同系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗在線座談精華

　　要減少RAM的功耗，除了對(duì)RAM的控制和時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行門控制以外，還需要知道RAM的讀和寫分別對(duì)功耗的影響有多少。地址變化、讀寫順序、RAM級(jí)聯(lián)方式對(duì)功耗的影響。

　　對(duì)RAM進(jìn)行讀操作涉及到：控制所存地址和控制鎖存、行的預(yù)譯碼電路、讀的列譯碼電路、行的最終譯碼電路、讀的列譯碼控制、傳感放大器、數(shù)據(jù)輸出選擇和鎖存電路、Sense enable logic、讀控制電路、Bit-line預(yù)充電電路等十個(gè)相關(guān)電路。而對(duì)RAM進(jìn)行寫操作需要涉及到的電路有：地址和控制鎖存、行的預(yù)譯碼電路、寫的列譯碼電路、行的最終解碼控制、寫的列譯碼控制、寫驅(qū)動(dòng)電路和Bit Line預(yù)充電電路。因此，相比較而言，讀操作會(huì)比寫操作消耗更多的功耗。

　RAM的讀寫地址改變的方式，也會(huì)對(duì)功耗有不同的影響。連續(xù)操作地址之間的漢明距離越小，產(chǎn)生的功耗也越小。反之亦然。也就是說當(dāng)前操作的地址和上次操作的地址之間變化的位數(shù)越少，所產(chǎn)生的功耗也會(huì)越小。

　　讀寫間隔操作和連續(xù)讀、連續(xù)寫操作相比，要產(chǎn)生多一些的功耗。從圖2中分別對(duì)12塊RAM、16塊RAM和24塊RAM做的測試結(jié)果看，同樣的操作條件下，RAM塊數(shù)越多，連續(xù)操作地址之間的漢明距離越長，功耗就越大。同樣的塊數(shù)和連續(xù)操作之間的漢明距離，寫-讀三次會(huì)比三次寫三次讀消耗的功耗要大。

圖2 寫讀操作順序vs.讀序列后跟寫序列操作

　　通過前面所述，我們可以通過調(diào)整RAM的訪問順序降低RAM的功耗?？赡艿脑?，對(duì)RAM少進(jìn)行讀操作，盡可能一次多讀一些數(shù)據(jù)或者多寫一些數(shù)據(jù)，少一些讀寫操作之間的切換。如果在連續(xù)相同操作的地址之間，漢明距離能保持最小的話更好。也可以考慮在反向時(shí)鐘沿上對(duì)RAM進(jìn)行讀寫操作，以降低RAM的峰值功耗。

　　不同的RAM級(jí)聯(lián)架構(gòu)所產(chǎn)生的功耗也不同。如果想獲得一個(gè)4K×4的RAM，有許多不同的實(shí)現(xiàn)方式。從圖3中可以看出，根據(jù)這些不同的實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)每塊RAM的讀寫時(shí)鐘控制，進(jìn)行門控制所產(chǎn)生的功耗是最低的。

圖3 根時(shí)鐘vs.葉時(shí)鐘vs.門控允許

　　在降低時(shí)鐘樹的功耗方面，常用的方法有使用門控時(shí)鐘，對(duì)常用的流水線時(shí)鐘結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，盡量使用FPGA內(nèi)部的全局時(shí)鐘資源等。通過對(duì)常用的流水線時(shí)鐘結(jié)構(gòu)在RTL級(jí)進(jìn)行修改，就像在圖4中所看到的，做正反時(shí)鐘沿間隔，這樣時(shí)鐘頻率可以減慢一半，可以節(jié)省該時(shí)鐘路徑一半的功耗。同樣可以通過人工對(duì)時(shí)鐘域進(jìn)行平面布局，來降低時(shí)鐘樹產(chǎn)生的功耗。這種方式對(duì)工程師的要求相對(duì)較高。Actel的設(shè)計(jì)師提供基于功耗驅(qū)動(dòng)的布局布線策略。選擇該策略，布局布線工具自動(dòng)會(huì)在滿足時(shí)序要求的情況下，盡可能的降低布局功耗。

圖4 對(duì)常用的流水線時(shí)鐘結(jié)構(gòu)在RTL級(jí)做修改

　　要降低邏輯和走線的功耗，需要調(diào)整綜合選項(xiàng)、了解算法/功能塊的架構(gòu)和功耗概況，通過減少信號(hào)的翻轉(zhuǎn)來降低功耗。不同的綜合選項(xiàng)和策略會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)功耗有影響，基本上需要注意的是全局時(shí)序的設(shè)定以及set_max_fanout選項(xiàng)，以及是選用面積優(yōu)先還是時(shí)序優(yōu)先的綜合策略。

　　通過對(duì)DesignWare和一些私有的加法器和不同頻率下的功耗的評(píng)估，DesignWare下面的BK加法器在功耗方面是最友好的。針對(duì)同樣5%到10%的速度降級(jí)，BK加法器和其他的私有加法器的核相比，可以減少10%到15%的面積和功耗。在選擇乘法器的時(shí)候，必須要考慮乘法器的面積、功耗和速度。

　　計(jì)數(shù)器在設(shè)計(jì)中有不同的用法，有的用于計(jì)算事件發(fā)生的順序或者用掉的時(shí)間，有的用于驅(qū)動(dòng)類似于RAM的地址總線、數(shù)據(jù)總線、狀態(tài)機(jī)的下一跳狀態(tài)或者輸出邏輯，有的用于當(dāng)輸出的值達(dá)到不同的解碼值時(shí)做不同的設(shè)定的處理。根據(jù)不同的用途可以考慮用二進(jìn)制順序計(jì)數(shù)、格雷碼計(jì)數(shù)、環(huán)形計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。如果計(jì)數(shù)器只是用于產(chǎn)生一些標(biāo)記，建議采用二進(jìn)制的實(shí)現(xiàn)方式；如果計(jì)數(shù)器用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的負(fù)載總線，建議用格雷碼計(jì)數(shù)器；如果多個(gè)計(jì)數(shù)器的值需要被解碼，環(huán)形計(jì)數(shù)器是最佳選擇(譯碼邏輯是最小的）。

　　通過降低邏輯的翻轉(zhuǎn)率來降低動(dòng)態(tài)功耗

　　首先在設(shè)計(jì)中，需要盡量避免不必要的翻轉(zhuǎn)，可以通過下面幾個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：首先分析哪些邏輯的翻轉(zhuǎn)是不必要的，隨后對(duì)不必要的邏輯翻轉(zhuǎn)的傳播進(jìn)行限制，展開邏輯翻轉(zhuǎn)的時(shí)間。

　　減少邏輯可能產(chǎn)生的毛刺，先標(biāo)識(shí)出翻轉(zhuǎn)率高的網(wǎng)絡(luò)以及它們的驅(qū)動(dòng)，然后對(duì)驅(qū)動(dòng)單元輸入的最壞時(shí)序情況做評(píng)估，隨后將毛刺的源往前調(diào)或往后調(diào)，然后對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的輸入的最壞時(shí)序情況做評(píng)估，最后在驅(qū)動(dòng)的邏輯后面插入一級(jí)觸發(fā)器，根據(jù)先前的評(píng)估情況來決定用路徑上其他時(shí)序元件的相同時(shí)鐘沿或者相反的時(shí)鐘沿來驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器。即使是在單周期路徑上面，如果有足夠的slack來增加一個(gè)與門以及相關(guān)走線，那么就可以用與門的另外一個(gè)輸入（毛刺源驅(qū)動(dòng)寄存器）的反相時(shí)鐘沿，從而減少毛刺。在某些情況下，可以通過伸展反轉(zhuǎn)時(shí)間來降低毛刺的峰值功耗。

　　建議設(shè)計(jì)者要了解最終系統(tǒng)的運(yùn)行模式，以及每種模式下系統(tǒng)的功耗概況。如果系統(tǒng)處于睡眠模式或者關(guān)閉模式的時(shí)間較長，需要觀察浪涌電流和編程電流的影響，并處理好靜態(tài)功耗。需要檢查設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)功耗概況，找出功耗的主要瓶頸，根據(jù)概括表（圖5~圖8）找出最好的解決方法。

圖5 RAM 動(dòng)態(tài)功耗概括表

圖6 I/O功耗概括表

圖7 時(shí)鐘樹功耗概括表

圖8 邏輯功耗概括表

　　在對(duì)照概括表之前，只要時(shí)序允許，可以修改RTL代碼；保證修改以后的功能和時(shí)序有效性；也可以嘗試調(diào)整綜合選項(xiàng)以及使用基于功耗優(yōu)先的策略來進(jìn)行布局布線。