3. 低功耗設(shè)計
關(guān)于FPGA低功耗設(shè)計,可從兩方面著手:1) 算法優(yōu)化;2) FPGA資源使用效率優(yōu)化。
1) 算法優(yōu)化
算法優(yōu)化可分為兩個層次說明:實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法
首先肯定需要設(shè)計一種最優(yōu)化的算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu),設(shè)計一種最優(yōu)化的結(jié)構(gòu),使資源占用達到最少,當然功耗也能降到最低,但是還需要保證性能,是FPGA設(shè)計在面積和速度上都能兼顧。比如在選擇采用流水線結(jié)構(gòu)還是狀態(tài)機結(jié)構(gòu)時,流水線結(jié)構(gòu)同一時間所有的狀態(tài)都在持續(xù)工作,而狀態(tài)機結(jié)構(gòu)只有一個狀態(tài)是使能的,顯而易見流水線結(jié)構(gòu)的功耗更多,但其數(shù)據(jù)吞吐率和系統(tǒng)性能更優(yōu),因此需要合理選其一,使系統(tǒng)能在面積和速度之間得到平衡;
另一個層面是具體的實現(xiàn)方法,設(shè)計中所有吸收功耗的信號當中,時鐘是罪魁禍首。雖然時鐘可能運行在 100 MHz,但從該時鐘派生出的信號卻通常運行在主時鐘頻率的較小分量(通常為 12%~15%)。此外,時鐘的扇出一般也比較高。這兩個因素顯示,為了降低功耗,應(yīng)當認真研究時鐘。 首先,如果設(shè)計的某個部分可以處于非活動狀態(tài),則可以考慮禁止時鐘樹翻轉(zhuǎn),而不是使用時鐘使能。時鐘使能將阻止寄存器不必要的翻轉(zhuǎn),但時鐘樹仍然會翻轉(zhuǎn),消耗功率。其次,隔離時鐘以使用最少數(shù)量的信號區(qū)。不使用的時鐘樹信號區(qū)不會翻轉(zhuǎn),從而減輕該時鐘網(wǎng)絡(luò)的負載。
2) 資源使用效率優(yōu)化
資源使用效率優(yōu)化是介紹一些在使用FPGA內(nèi)部的一些資源如BRAM,DSP48E1時,可以優(yōu)化功耗的方法。FPGA動態(tài)功耗主要體現(xiàn)為存儲器、內(nèi)部邏輯、時鐘、I/O消耗的功耗。
其中存儲器是功耗大戶,如xilinx FPGA中的存儲器單元Block RAM,因此在這邊主要介紹對BRAM的一些功耗優(yōu)化方法。
如圖5中實例,雖然BRAM只使用了7%,但是其功耗0.601W占了總設(shè)計的42%,因此優(yōu)化BRAM的功耗能有效地減小FPGA的動態(tài)功耗。
圖5
下面介紹一下優(yōu)化BRAM功耗的方法:
a) 使用“NO CHANGE”模式:在BRAM配置成True Dual Port時,需要選擇端口的操作模式:“Write First”,“Read First” or “NO CHANGE”,避免讀操作和寫操作產(chǎn)生沖突,如圖6所示;其中“NO CHANGE”表示BRAM不添加額外的邏輯防止讀寫沖突,因此能減少功耗,但是設(shè)計者需要保證程序運行時不會發(fā)生讀寫沖突。
圖6
圖5中的功耗是設(shè)置成“Write First”時的,圖7中是設(shè)置成“NO CHANGE”后的功耗,BRAM的功耗從0.614W降到了0.599W,因為只使用了7%的BRAM,如果設(shè)計中使用了大量的BRAM,效果能更加明顯。
圖7
b) 控制“EN”信號:BRAM的端口中有clock enable信號,如圖8所示,在端口設(shè)置中可以將其使能,模塊例化時將其與讀/寫信號連接在一起,如此優(yōu)化可以使BRAM在沒有讀/寫操作時停止工作,節(jié)省不必要的功耗。
圖8
如圖9所示為控制“EN”信號優(yōu)化后的功耗情況,BRAM功耗降到了0.589W
圖9
c) 拼深度:當設(shè)計中使用了大量的存儲器時,需要多塊BRAM拼接而成,如需要深度32K,寬度32-bit,32K*32Bit的存儲量,但是單塊BRAM如何配置是個問題?7 series FPGA中是36Kb 的BRAM,其中一般使用32Kb容量,因此可以配置成32K*1-bit或者1K*32-bit,多塊BRAM拼接時,前者是“拼寬度”(見圖10),后者是“拼深度”(見圖11)。兩種結(jié)構(gòu)在工作時,“拼寬度”結(jié)構(gòu)所有的BRAM需要同時進行讀寫操作;而“拼深度”結(jié)構(gòu)只需要其中一塊BRAM進行讀寫,因此在需要低功耗的情況下采用“拼深度”結(jié)構(gòu),
注:“拼深度”結(jié)構(gòu)需要額外的數(shù)據(jù)選擇邏輯,增加了邏輯層數(shù),為了降低功耗即犧牲了面積又犧牲了性能。
圖10
圖11
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