如何利用FPGA降低手持設備MPU的功耗

消費類手持設備市場正呈跳躍式發展。便攜式產品處理能力不斷增加，所支持的應用越來越多；產品更新換代速度加快，新產品必須滿足上市時間要求，以便獲得最大的市場機會；產品生命周期的縮短要求縮短開發周期，同時更加強調可復用性和可重復編程能力。新興手持設備市場還有一個有趣的趨勢，即一個系列中的每種設備的出貨量越來越少，但系列設備間的定制功能卻越來越多，進而有效提升了產品的總出貨量。這樣，關鍵挑戰就變成了如何開發一個可廣泛復用同時又可定制的系統。

為應對上述挑戰，越來越多的設計人員開始使用FPGA進行手持產品的開發。FPGA的功能日益強大和豐富，而門數、面積和頻率也在不斷增加。FPGA的開發和周轉時間要比定制ASIC短得多，可重復編程的額外優勢使得FPGA成為手持嵌入式系統領域中頗具吸引力的解決方案。在基于ASIC或FPGA的設計中，設計人員必須認真考慮某些性能標準，他們面臨的挑戰主要體現在面積、速度和功耗方面。

與ASIC一樣，供應商在FPGA設計中也需要應對面積和速度的挑戰。隨著門數不斷增加，FPGA需要更大的面積和尺寸來適應更多的應用，設計工具需要采用更好的算法以便更有效地利用面積。不斷演進的FPGA技術也給設計人員帶來一系列新的挑戰，電源利用率就是其中之一，這對于為手持或便攜式設備設計基于FPGA的嵌入式系統來說是急需解決的問題。

嵌入式系統中的FPGA

典型的嵌入式系統由處理器、存儲器、包括USB、SPI、I2C在內的標準接口以及液晶顯示器、音頻輸出等外設組成。設備的核心仍是處理器和處理器接口，它們通過板載連線連接到各個外設。系統性能主要取決于處理器性能，而處理器通常具有非常標準的架構，因而不容易定制。

有時處理器可能忙于處理來自低速外設的信息，雖然在這種情況下處理器使用率可能達到100%，但并不是在做以微處理器為中心的事務，而是工作在特別低的性能水平。不管其內核頻率是多少，微處理器必須等待來自低速時鐘的數據。這也會導致較高的功耗，因為處理器的利用率是100%。其結果將縮短電池壽命，并且需要更大的散熱器或風扇進行冷卻，最終影響整個系統的可靠性。

于是，FPGA在這方面開始發揮重要作用，因為它們能從處理器卸載許多外設交互任務。如圖1所示，利用標準千兆TCP/IP網絡實現的未壓縮音視頻數據流的嵌入式分布系統。它有一個專用DSP處理器，這個處理器通過一個標準總線接口與賽靈思的FPGA相接，FPGA再連接到各個低速外設。

圖1：用于音頻/視頻分布系統的FPGA架構

作為啟動開發套件，這個FPGA通過I2S接口連接12位的PCM音頻輸入和12位的PCM音頻輸出；它還連接視頻編碼器和解碼器，并與I2C從器件和RS232器件進行通信；連接到FPGA的通用I/O很少。與處理器相連的標準總線工作在高速的66MHz，而音頻外設工作在低速的1.182MHz；UART和I2C串行接口分別工作在56.6kHz和100kHz。由于數據傳輸發生在多個時鐘域，因而只有處理器能配置數據流。

在這種情況下，處理器不再與低速外設交互，而由FPGA從低速的PCM ADC音頻器件讀取數據，并將數據存放在FPGA的內部緩存中。處理器可以周期性地從這個緩存讀取數據，或者當緩存中有足夠數據時，由FPGA向處理器發送一個中斷。這樣，處理器就有更多的時間執行以處理器為中心的必要工作，在空閑時則進入睡眠模式。

功耗問題

在電池供電的嵌入式系統中，節能是最重要的考慮因素。功耗可以被分成三大類：啟動功耗、靜態功耗和動態功耗。設計人員無法控制啟動功耗，而啟動功耗在決定電源選型中扮演著重要的角色。大多數最大電流值指的就是這個階段所達到的值。但靜態功耗和動態功耗是兩個不同的領域，通過合理的規劃和以下正確的指導原則，使用FPGA的嵌入式設計人員可以在功耗優化方面作出顯著改進。

靜態功耗是指系統不工作時仍有電流流過元件時產生的功耗，一般由器件偏置電流和漏電流引起。靜態功耗也取決于工作電壓，降低工作電壓可以降低靜態功耗，但這個策略并不總是掌握在設計人員手中。設計人員能做的是定義合理的架構，在這種架構下需要使用的資源最少，同時盡可能使用資源共享，并以最高效的方式使用FPGA模塊。

減少靜態功耗的另外一種技術是在設計周期早期進行功耗預估，改變拓撲或使用不同的IP模塊。例如，賽靈思的xPower Estimator工具這時就非常有用，它能很早知道設計是否滿足功耗預算。早期階段的功耗預估也許不完全準確，但作為指導工具確實很有幫助。

動態功耗是由于FPGA門的一些行為(比如信號開關)引起的，當兩個門暫時導通時，將產生電流流動和電容。信號開關的速度決定了功耗的大小。影響動態功耗的另外一個因素是電路內部結構中形成的固有電容。動態功耗是時鐘頻率、正在開關的門數量和這些門開關速率的函數。門扇出和走線上的電容負載會增加動態功耗，并且功耗值正比于電容、電壓和頻率平方的乘積。

設計人員對這種功耗具有最大的控制能力，他們可以利用許多技術實現動態功耗的最大改善。降低信號開關頻率可以使功耗呈指數式下降。正如圖1所示，用于UART的控制邏輯、奇偶校驗或幀超限錯誤都發生在速度較低的時鐘域。即使門數沒有減少，功耗也會下降。設計人員還可以通過降低整體工作頻率(如果可行的話)來減小動態功耗。例如，在完成可行性和性能分析后，設計人員決定上述設計不僅能工作在133MHz，也能工作在66MHz。DSP支持這兩種速率，而減小電壓也有助于降低功耗。

另外一種技術是減少處于工作模式的有效門數。有時某部分邏輯雖然在開機時被打開和配置，但實際上不要求做任何事情。例如，模擬音頻捕獲單元處于工作狀態，設備卻不在執行任何數字SPDIF音頻捕獲。在這種情況下，一般的數字SPDIF音頻捕獲電路仍將執行數據采樣、雙相解碼等工作，因而無謂地浪費功率。如果禁用整個數字SPDIF音頻捕獲電路，使電路中不發生任何信號開關動作，那么動態功耗將會顯著降低。