（电路与系统专业论文）基于架构和任务调度的fpga低功耗研究.pdf

浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑堑太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘茔有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被套阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年 月 日 签字日期：年月 日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 首先感谢我的导师沈继忠教授，在读研期间，沈老师给我了不少帮助和指导。 论文的选题、设计和最终论文的写作都是沈老师悉心指导和鼓励下完成的。沈老 师严谨的学术作风、认真的处事态度、和蔼的待人之道，求实创新的精神给我留 下了深刻的印象，对我的学习和生活都具有很强的指导意义，将使我终身受益。 感谢董利达老师和徐新民老师，感谢他们对我工程项目方面的指导，生活上 的关心和帮助。 感谢所里所有的老师在研究生期间对我的指导与帮助。 感谢实验室的师兄师姐，学弟学妹，共同学习，相互鼓励，给我留下了很多 美好回忆。 感谢许文曜在研究生期间对我学习、生活的帮助，作为同寝室的室友，通过 共同学习，共同生活，相互探讨，在他身上学到很多。 感谢我的父母和家人，是他们的鼓励、支持使我能够安心学习，不断进步， 希望他们能够健康、快乐。 感谢我的女朋友对我的体谅与关爱，在我遇到挫折时，能够爬起来继续前进。 徐科君 2 0 0 9 年1 1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 摘要 f p g a 由于开发周期短、成本低、灵活性高等优点，在嵌入式系统中占据了 重要地位。然而，随着f p g a 集成度的提高、芯片特征尺寸的缩小、处理速度的 增加，电路产生的功耗越来越大，从而影响系统稳定性、可靠性。同时，随着便 携式手持系统的发展，对待机时闻的要求越来越高。这就需要低功耗技术来降低 f p g a 的功耗，增加系统稳定性和可靠性，并延长电池的使用寿命。因此，f p g a 低功耗的研究具有重要意义。 f p g a 的低功耗研究从设计角度来看，按等级由高到低可以分为系统级、门 级和晶体管级的低功耗研究，等级越高，所能降低的功耗越多。本文主要从系统 级对f p g a 的架构和可重构f p g a 任务调度进行低功耗研究。首先从异构f p g a 架构方面，分析功耗影响因素，搭建异构f p g a 的功耗评估平台，研究连接复杂 度f c 参数对异构f p g a 功耗的影响。其次提出了基于d f g 的双电压可重构f p g a 任务模型与调度算法，该模型较好的描述了d f g 任务在双电压可重构f p g a 中 执行的特征；提出的调度算法使d f g 任务在可重构f p g a 中有序地执行，并且 降低任务执行的能耗。最后根据已有的并行可重构f p g a 系统，提出了并行数据 在并行可重构f p g a 系统中执行的任务模型及调度算法，使系统处理并行任务时 使用的可重构f p g a 数量最优，任务执行时间最短，从而降低系统能耗。 通过f c 参数对异构f p g a 功耗影响的研究，发现当f c 参数取输入连接复杂 度f ci n p u t = 8 0 ，输出连接复杂度f co u t p u t = 7 0 时，可以使异构f p g a 在实 现电路功能时功耗最低。提出的基于d f g 的双电压可重构f p g a 任务模型及调 度算法的实验数据表明，该模型和算法可以有效降低能耗，比单电压可重构f p g a 任务模型平均节约能耗1 4 1 ，并且任务集越大节约能耗越多虽然双电压可重 构f p g a 中d f g 任务集执行时间有所增加，但是在任务集的限制时间内是允许 的，并不影响任务集在f p g a 中实现的功能。提出的并行可重构f p g a 系统中并 行数据任务模型及调度算法的实验表明，系统处理任务时有一个最佳的f p g a 处 i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f p g a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a ra n dp r i v i l e g e di nt h ee m b e d d e ds y s t e md e - s i g nd u ot oe a r l yt i m e t o - m a r k e t ，n on r e ( n o n r e c u r r i n ge x p e n d i t u r e ) c o s ta n de a s y t r a n s i t i o nt os t r u c t u r e da s i c h o w e v e r ，f p g a b a s e ds y s t e m sa res i g n i f i c a n t l ym o r e p o w e r - h u n g r yc o m p a r e dw i t ht h ea s i c b a s e d ，e s p e c i a l l yc o n s i d e r i n gl o g i cd e n s i t y i m p r o v i n g ，a g g r e s s i v ep r o c e s ss c a l i n ga n dp r o c e s s i n gs p e e di n c r e a s i n g t h i st r e n dw i l l d e c r e a s et h es t a b i l i t y , t h er e l i a b i l i t ya n dt h ed u r a b i l i t yo ff p g a s a d d i t i o n a l l y ，t h e p o r t a b l ed e v i c e sr e q u e s tl o n g e rs t a n d b yt i m ea n dl e s sp o w e rc o n s u m p t i o n c o n s i d e r i n g t h a tt h er e d u c t i o no fp o w e ri sb e n e f i c i a lf o rf p g ai nt e r m so fa l lt h ea b o v ei s s u e s ，t h e r e s e a r c ho nl o w p o w e rf p g a si ss i g n i f i c a n t l ym o r ep r o n o u n c e dt h a no t h e ri s s u e s b a s e do nt h ep e r s p e c t i v eo ff p g a s d e s i g n ，t h e r ea r et h r e eh i e r a r c h i c a ll e v e l sf r o m h i g h l e v e lt ol o wl e v e l ，i e ，s y s t e ml e v e l ，r t l ( r e g i s t e r - t r a n s f e rl e v e l ) l e v e la n d t r a n s i s t o rl e v e l t h eh i g h e rl e v e li s ，t h em o r ed e s i g nf r e e d o mi s ，w h i c hm e a n st h em o r e p o w e r r e d u c t i o n t h i sp a p e ra d d r e s s e st h el o w - p o w e ri s s u e0 1 1f p g a sa n dd e v e l o p st h ei n - d e p t h s t u d ya b o u ta r c h i t e c t u r ee x p l o r a t i o na n dt a s ks c h e d u l i n gb a s e do nt h er e c o n f i g u r a b l e f p g ap l a t f o r ma tt h es y s t e ml e v e l t h e r ea r et h r e em a i np a r t si nt h i sp a p e nf i r s t l y , w e b u i l tt h ee v a l u a t i o np l a t f o r mo ff p g ap o w e ra n dd i dt h er e s e a r c ho nt h ei m p o r t a n c eo f f c ( f l e x i b i l i t yo fc o n n e c t i o n ) p a r a m e t e ri nf p g ac o n n e c t i o nm o d e l i n g w ea p p o i n t e d o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf cp a r a m e t e r sa n dp o w e rc o n s u m p t i o ni nh e t e r o g e n e o u s f p g aa r c h i t e c t u r e s e c o n d l y , o n en o v e lt a s km o d e la n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h ma r ep r o - p o s e db a s e do nd u a l - v d dr e c o n f i g u r a b l ef p g a sa n dd a t af l o wg r a p h ( d f g ) i nt h i s m o d e l ，w ef i g u r e do u tt h ef e a t u r e so ft h ed f gt a s k so nd u a l v d dr e c o n f i g u r a b l e f p g a s ，a n dp r o p o s e dt h ec o r r e s p o n d i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h o w st h a to u rp r o p o s e da l g o r i t h mc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ee x e c u t i o ne n e r g yo f d f gt a s k so nd u a l - v d dr e c o n f i g u r a b l ef p g a s f i n a l l y , w ep r o p o s e dt h ep a r a l l e ld a t a t a s km o d e la n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do np a r a l l e lr e c o n f i g u r a b l ef p g as y s t e m s t h ea l g o r i t h mg r e a t l yi n c r e a s e st h es c h e d u l a b i l i t yo ft h es y s t e mw i t ht h eo p t i m a l i v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f p g an u m b e ra n dm i n i m u mp o w e r c o n s u m p t i o n r e s e a r c ho nf cp a r a m e t e ri nh e t e r o g e n e o u sf p g a ss h o w st h a tf c _ i n p u t = 8 0 ， f c _ o u t p u t = 7 0 i st h eo p t i m a ls o l u t i o ni nt e r m so fp o w e rc o n s u m p t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t so nt h en o v e lt a s km o d e la n ds c h e d u l i n go nd u a l v d df p g a s s h o wt h a to u rp r o p o s e da l g o r i t h mc a ns o l v et h ep o w e r p r o b l e me f f e c t i v e l y c o m p a r e d w i t ht a s k se x c u s e di ns i n g l e - v d dr e c o n f i g u r a b l ef p g a s ，d u a l v d db a s e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h mc a nr e d u c et h ee n e r g yb y14 1 o na v e r a g e f u r t h e r m o r e t h em o r et h e n u m b e ro ft a s k si s ，t h em o r ee n e r g yw i l lb e s a v e d 。a l t h o u g ht h ee x e c u t i o nt i m eo f t a s k ss l i g h t l yi n c r e a s e s ，i ti ss t i l la c c e p t a b l e ，a n dt h et a s k sw i l lb ef i n i s h e do nt i m e t h e e x p e r i m e n t so np a r a l l e ld a t at a s km o d e la n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mo np a r a l l e lr e c o n f i g u r a b l ef p g as y s t e ms h o w st h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a no p t i m i z et h eq u a n t i t yo f f p g a sr e q u e s t e di nt h es y s t e ma n dg e tt h eb e s tn u m b e r o n c et h es y s t e ms u r p a s s e s t h i sn u m b e r , i tw i l lc o s tm o r et i m e t h et a s k se x e c u t i o nt i m ew i l la l s ob ei n c r e a s e d w i t ht h ee x t e n s i o no fr e c o n f i g u r a b l et i m ea n dt h ei n c r e a s i n go f p r o c e s ss p e e df a c t o r k e y w o r d s ：f p g a ，l o wp o w e r , f c ，h e t e r o g e n e o u s ，r e c o n f i g u r a t i o n ，d u a l - v d d ，t a s k s c h e d u l i n g v 浙江大学硕士学位论文 目次 目次 致 射 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1f p g a 现状和发展趋势1 1 2f p g a 低功耗的研究意义2 1 3 研究内容4 1 4 本章小结5 第2 章f p g a 概述与功耗分析6 2 1 典型f p g a 的基本结构和工作原理6 2 2 可重构f p g a 概述l5 2 3f p g a 的功耗分析l8 2 3 1 功耗来源1 8 2 3 2 功耗估计2 0 2 3 3 低功耗技术2 2 2 4 本章小结2 3 第3 章连接复杂度对异构f p g a 功耗的影响2 4 3 1 研究背景2 4 3 2 异构f p g a 的简介。2 5 3 3 异构f p g a 功耗分析2 6 3 4 实验方法及结果分析2 7 3 4 1 基本实验平台2 7 3 4 2 实验平台改进3 l 3 4 3 实验方法与结果分析3 2 3 5 本章小结3 8 第4 章基于d f g 的双电压可重构f p g a 任务模型及调度算法3 9 4 1 研究背景3 9 4 2 双电压动态可重构f p g a 结构简介4 0 4 3 基于d f g 的双电压可重构f p g a 任务模型4 2 4 4 基于d f g 的双电压可重构f p g a 任务调度算法。4 3 4 5 实验方法和结果分析4 9 4 6 本章小结。5 2 第5 章并行可重构f p g a 系统并行数据任务模型及调度算法 5 1 研究背景5 4 5 2 并行f p g a 系统架构5 5 5 2 1 并行非可重构f p g a 系统架构。5 5 v i 浙江大学硕士学位论文 目次 5 2 2 并行可重构f p g a 系统架构5 5 5 3 并行数据任务模型5 7 5 4 并行数据任务调度算法5 9 5 5 实验方法和结果分析6 4 5 6 本章小结6 6 第6 章结论6 7 参考文献。6 9 f f j 录7 6 作者简历及在学习期间取得的科研成果7 8 v 浙江人学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 f p g a 现状和发展趋势 第1 章绪论 1 9 8 5 年x i l i n x 公司推出了第一款现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 产品- x c 2 0 6 4 t m ，极大的促进了可编程器件的发展。它与复 杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e ，c p l d ) 相比，主要 是把门阵列引入到现场可编程技术，使用四输入的查找表( l o o ku pt a b l e ，l u t ) 和静态随机存取存储器( s t m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，s r a m ) ，使其具有更高 的密度和容量，更快的执行速度，更低的功耗，包含更多的i o 口等特征。f p g a 与专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a s i c ) 相比，有以下几 个优判2 】： 1 开发周期短。a s i c 从立项、开发到样片一般需要十二到十八个月，而用 f p g a 开发产品的周期一般只需要三到六个月。 2 硬件开发成本低。按照市场价格来看，如a s i c 采用0 1 8 m 的工艺，掩 模成本在十万到三十万美元之间，9 0 n m 工艺掩模成本高达五百多万美元；而一 块f p g a 的成本仅仅需要几十到几百人民币，极大减少了硬件开发成本。 3 集成度和灵活度高。a s i c 一旦定制，就不能更改，如果要修改就需要重 新掩模，灵活度差；而f p g a 由于可以重新编程，使其灵活度大大增加，并且现 在f p g a 能够达到几百万门的数量级，高的集成度可以获得更大灵活度、更高的 性能。 以上这些特征使f p g a 在出现后的二十几年中迅速发展，并且被广泛应用于 现代电子系统的设计吲在消费电子市场，f p g a 被广泛应用于平面显示器、便 携式媒体播放器、数字电视以及家庭联网监控等产品；在汽车电子领域，f p g a 被用于车内显示、导航、仪表以及引擎控制等产品；在通信领域，f p g a 被应用 浙江人学硕上学位论文 于信号收发控制、信号处理等。此外， f p g a 因其开发周期短、成本低、 广泛应用，并朝着以下趋势迅速发展： f p g a 在医疗、军事方面也有 灵活度高等优点，使其在嵌入式系统中被 1 高密度、高速度、宽频带【2 1 ：扩大f p g a 的容量，使用可变输入的查找 表代替四输入查找表，增加逻辑单元数量和r a m 的容量，减小f p g a 的工艺参 数，提高运行主频。 2 低成本、低价格f 2 】：如x i l i n x 公司的s p a r t a n 系列和a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 价格低廉，性价比高。 3 低电压、低功耗、绿色似3 】：x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 系列将供电电压降 低为1 2 v ，比3 v 供电电压的s p a r t a n x l 系列，具有更低的功耗，从而减少对环 境的影响。 4 片上可编程系统( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，s o p c ) 1 4 1 ：它既具有 单个芯片完成整个系统的功能，又具有可编程能力，可裁减、可扩充、可升级。 它以嵌入式i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 内核模块为核心，是一种具有小容量片内高 速r a m 资源，单芯片、低功耗、微封装的系统。 5 动态可重构f p g a t 5 1 ：在系统运行期间，随时可以通过对f p g a 的重新配 置来改变其逻辑功能，并且不影响系统的正常运行。 6 单片群集器( c l u s t e r so nd i e ，c o d ) 【6 】：几个应用处理单元( a p p l i c a t i o n p r o c e s s i n gu n i t ，a p u ) 通过片上网络进行通讯，协同提供实现一个系统所需要的 处理能力。 这些发展将使f p g a 拥有更强大的处理能力，更优化的性能，使现场可编程 技术达到一个新的水平。 1 2 f p g a 低功耗的研究意义 根据摩尔定律【7 1 ：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔1 8 个月便会增加 一倍，性能也会提升一倍。这个定律是摩尔在1 9 6 5 年提出的，所阐述的趋势一 2 浙江大学硕_ 上学位论文 第1 章绪论 直延续至今。现在，移动设备存储卡中每个芯片包含的晶体管数量已经接近百亿 个【8 1 ；i n t e l 处理器的晶体管数量已经达到几个亿，每秒处理几百亿条的指令；f p g a 中门的数量也已经达到几百万个。随着器件集成度和处理速度的增加，系统所消 耗的功率也越来越大，同时也带来不少问题： 1 手持设备要求系统有更长的待机时间【9 1 ：如今，很多嵌入式系统是由电池 来供电的，而且个人数码助理( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，p d a ) 、手提电脑等 设备受到体积和重量的限制，这就要求供电系统和设备便于携带，有更长的待机 时间。然而现在电池的使用寿命还是比较有限，电池的寿命与价格成为降低系统 价格和重量的瓶颈。降低设备的功耗，已经成为当今手持设备急待解决的问题。 2 散热问题：随着集成度的提高，集成电路单位面积内消耗的能量随之增 加，而能量主要以热量的形式散发出去，因此，需要有效的散热技术，才能保证 系统正常工作。而散热装置使系统成本提高、体积增大、重量增加。 3 可靠性降低【1 0 】：功耗的增加，会影响集成电路的可靠性和信号的完整性。 4 环境污染：功耗的增加，会使能源使用量增加，还会产生大量的电磁辐 射，造成对资源的浪费和环境污染。使用低功耗技术，可以有效节约能源，减少 对环境的污染和对人体的伤害。 以上这些问题的出现，使得集成电路进一步发展受到很大影响，只有降低功 耗才能使这些问题得到改善。 硅技术的快速发展，使得互补金属氧化物半导体( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r ，c m o s ) 晶体管的体积越来越小，速度越来越快，单个晶体管的 开关功耗也越来越小，但单位面积芯片所能包含的晶体管数量增加。虽然单个 c m o s 晶体管的功耗有所降低，但单位面积芯片产生的功耗仍然大幅增加，因此， 功耗已经成为除了速度和成本以外影响芯片性能的重要因素【l l 】。 f p g a 由于开发周期短、成本低、灵活度高等优点，使其在嵌入式系统中占 具重要地位。然而，随着集成度的提高和处理速度的加快，使f p g a 单位面积产 生的功耗增加。同时，f p g a 的可重构架构，使其比a s i c 具有更多的寄生电容【i 2 1 ， 从而导致f p g a 比a s i c 需要消耗更多的能量，在同样的技术条件下，f p g a 产 浙江大学硕上学位论文 第l 章绪论 生的功耗要比a s i c 多几十倍f ”j 功耗的增加将限制f p g a 在嵌入式系统中的发 展，因此，f p g a 的低功耗研究显得非常重要。 1 3 研究内容 f p g a 的低功耗研究对促进f p g a 进一步发展，扩展运用领域具有极其重要 的意义。低功耗研究从设计角度来看，按等级由高到低可以分为系统级、门级和 晶体管级的低功耗设计。等级越高，所能降低的功耗也就越多，对于不同的设计， 系统级低功耗设计方法可以减少的功耗是基准功耗的1 0 2 0 倍，门级低功耗设计 方法可以减少的功耗是基准功耗的2 5 倍，晶体管级低功耗设计方法可以减少的 功耗只是基准功耗的2 0 5 0 1 4 1 。系统级低功耗设计方法主要包括f p g a 低功 耗架构、系统级动态功耗管理、系统时钟管理、切断非工作元件供电电压技术、 多电压供电技术和低功耗任务调度等【9 1 f p g a 的低功耗架构是实现系统级低功耗技术的基础【1 5 1 ，对于架构的研究， 有利于从结构上降低f p g a 的功耗。随着深亚微米技术的发展，f p g a 设计工艺 已经能够达到6 5 n m ，甚至4 5 n m ，这使单位面积内可编程逻辑块( c l u s t e r l o g i c a l b l o c k ，c l b ) 的数量增多，互联资源变得复杂，从而增加f p g a 的功耗。如今， f p g a 功耗主要来源由原来的可编程逻辑块c l b 转移到了可编程互联资源，f p g a 可编程互联资源成为f p g a 产生功耗的主要原因，约占总功耗的6 2 【佑】。文献【l7 】 研究路由块结构以降低系统功耗，文献【l l 】研究双供电电压的c l b 结构和双阈值 电压的l u t 结构从架构方面降低f p g a 功耗。因此，对f p g a 低功耗架构研究 具有重要意义。 f p g a 动态可重构技术进一步提高了f p g a 的灵活性，但是增加了f p g a 的 功耗。动态可重构f p g a 能够使运行的硬件任务在不中断的情况下对执行一个或 者某几个任务的f p g a 可重构资源进行重构，利用时分复用的思想使同一可重构 资源在不同运行时段执行不同的任务，从而最大限度的减少了硬件开销【1 8 】。任务 调度必须保证任务在有限的f p g a 可重构资源中通过合理的算法在限制时间内有 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 序完成。合理的调度算法可以有效降低功耗【1 8 】 本文主要从系统级对f p g a 的架构和可重构f p g a 的任务调度进行低功耗研 究，主要研究内容如下： 1 从f p g a 的架构出发，研究异构f p g a 的结构，分析异构f p g a 功耗影 响因素，搭建异构f p g a 的功耗评估平台，研究连接复杂度f c 参数对异构f p g a 功耗的影响。 2 双电压可重构f p g a 能够有效地降低f p g a 在实现电路功能时的能耗【】， 然而对双电压可重构f p g a 的任务调度尚缺少研究。根据有时序的任务在双电压 可重构f p g a 中的运行特征建立任务模型，提出基于d f g 的双电压可重构f p g a 任务调度算法，使f p g a 在实现电路功能时，对不同模块使用不同的电压，从而 有效的降低能耗。 3 并行可重构f p g a 系统是当前研究的热点【1 9 l ，对并行可重构f p g a 系统 进行建模，使其能执行并行数据任务。通过并行可重构f p g a 系统中并行数据任 务调度算法，使并行可重构f p g a 系统在执行任务时，使用的f p g a 数量最合理， 执行时间最短，从而有效降低系统功耗。 最后对论文研究内容进行总结，分析需要进一步研究的问题，提出今后工作 展望。 1 4 本章小结 本章首先对f p g a 的现状作了阐述，通过与c p l d 、a s i c 的比较，论述了 f p g a 在嵌入式系统中有巨大的优势。其次，叙述了f p g a 的发展趋势，主要是 向高集成度、高速度、低功耗、多样性等方向发展。再次，阐述了f p g a 低功耗 研究的重要意义，降低功耗有助于保持系统稳定，延长便携式系统使用时间。最 后提出本文研究内容及研究意义 浙江大学硕士学位论文第2 章f p g a 概述与功耗分析 第2 章f p g a 概述与功耗分析 2 1 典型f p g a 的基本结构和工作原理 f p g a 是一种具有可配置逻辑资源的芯片，根据不同的需要可以配置成不同 的组合电路和时序电路。f p g a 根据编程技术可以分为反熔丝编程f p g a 、f l a s h 编程f p g a 和s r a m 编程f p g a 1 1 1 ；根据重构方法可分为静态可重构f p g a 和动 态可重构f p g a 2 0 1 ；根据可编程逻辑块种类可以分为典型f p g a 和异构f p g a l 2 。 本节所讨论的是s r a m 编程，静态可重构的典型f p g a ，也称为岛型f p g a ，这 种f p g a 的应用最广泛【l 】。 岛型f p g a 由资源层和配置层组成【1 】。资源层主要包括簇逻辑块( c l u s t e r l o g i c a lb l o c k ，c l b ，又称可编程逻辑块) ，可编程输入输出接口块( i n p u t o u t p u t b l o c k ，i o b ) 以及可编程互联资源。配置层由s r a m 组成，存储由原理图或h d l 语言描述的设计文件经综合软件编译后生成的配置信息。这些配置信息将可编程 逻辑块配置成所需要的电路，将i o b 配置成相应的输入或者输出接口，通过配置 可编程互联资源把不同功能的逻辑块以及逻辑块与l o b 之间连接起来，使其达到 设计要求。 典型的f p g a 的资源层结构如图2 1 1 所示【2 2 1 ，四周分布的小方框是可编程输 a 输出接口块，可以通过配置层配置成输入或输出接口。f p g a 拥有大量的输入 输出接口块，扩大了输入输出量，可以更加灵活的适应各种需求。中间排列的黑 色方框是可编程逻辑块，这是f p g a 中最主要的逻辑资源，它可以通过配置层， 配置成不同的组合电路或时序电路。图2 1 1 中余下的灰色通道是可编程互联资 源，它可以将不同o q l o b 跟所需要的逻辑块连接起来，也可以将逻辑块与逻辑块 连接起来，从而将小规模电路整合成大规模电路，使f p g a 可以实现强大的功能 6 浙江大学硕士学位论文 第2 章f p g a 概述与功耗分析 可编程逻辑块 图2 1 1 典型f p g a 资源层结构 可编程输入， 输出接口 可编程 互联资源 接下来，对f p g a 的可编程输入输出接i = l 块、可编程逻辑块、可编程互联资 源的结构和原理进行简要描述： 一可编程输a 输出接口块的结构和工作原理 f p g a 的可编程输入输出接i ：1 块可以根据需要配置成输入或者输出接口，典 型f p g a 的i o b 结构如图2 1 2 所示【3 1 ，其中三态缓冲控制模块( 3 - s t a t e ) 控制三 i o i 却u i i 一一- j 图2 1 2 典型f p g a 的输入输出接口块结构图 园园 一园园一 浙江大学硕士学位论文 第2 章 态缓冲器通断，从而配置i o b 为输入接口或输出接口。当三态 时，i o b 为输入接口，输入信号通过输入寄存模块( i n p u t ) 输入到f p g a 内部 当三态缓冲器导通时，i o b 为输出接口，信号通过输出寄存模块( o u t p u t ) 输出 到外部焊盘( p a d ) 。这样l o b 就能够通过编程实现输入或者输出接口的功能。 由于f p g a 拥有大量的i o b 接口，使其在控制领域发挥重要作用。 二可编程逻辑块的结构和工作原理 可编程逻辑块c l b 具有实现各种组合电路和时序电路的功能，主要由基本逻 辑元素( b a s e dl o g i c a le l e m e n t ，b l e ) 组成，而每个b l e 主要由查找表l u t 构成 。可编程逻辑块c l b 基本结构如图2 1 3 所示，图中输入是指可编程逻辑块m 位 输入信号，它可以是外部的输入信号，通过输入接口传输接入，也可以是其它的 可编程逻辑块的输出信号，通过可编程互联资源传输接入。配置信息通过配置层 将b l e 配置成特定功能的电路，实现某个功能或完成处理后将结果输出。输出结 果为一个n 位的数值，这些数值或者通过输出接口直接输出，或者连接到其它可 编程逻辑块，做后续处理。 输入 ( m 位) 时钟 广一一一一一一一一一一一一一 图2 1 3 可编程逻辑块c l b 的基本结构 输出 ( n 位) 、 目) g a 浙江大学硕- 上学位论文 第2 章f p g a 概述与功耗分析 举个简单的例子说明f p g a 可编程逻辑块实现特定电路功能的原理。例如， 用f p g a 来实现式( 2 1 1 ) 电路功能： y = a b + 一c ( 2 1 1 ) 图2 1 4 显示了式( 2 1 1 ) 电路功能的实现过程。图2 1 4 ( a ) 是需要实现功能的 电路原理图，将它输入n f p g a 综合软件，盎1 3 q u a r t u s ，i s e 等。如果f p g a 中的b l e 是二输入的，此时，将电路直接映射虱j b l e ，将使用三个b l e 资源。如果把电路 优化一下，可以将式( 2 1 1 ) 电路表达式化简为： 】，= 丽c( 2 1 。2 ) 此时，只需要两个与非门就能实现，也就是说只需要两个b l e 资源即可实现 式( 2 1 2 ) 的功能，化简后的电路如图2 1 4 ( b ) 所示。目前所使用的综合软件 会自动优化电路图，以节约f p g a 的有限资源和功耗。化简后把逻辑电路映射到 b l e q h ，某一个b l e 实现某个门的功能。图2 1 4 ( c ) 中的b l e i 实现第一个与非 门的功能，b l e 2 实现第二个与非门的功能。然后再把b l e 封装到某个或某几个 c l b 中，由于本例比较简单，把两个b l e 封装到同一个c l b d f f ，其结果如图2 1 。4 ( d ) 所示这样就完成了逻辑电路n f p g a 的映射，使f p g a 具有实现此逻辑电 路的功能。 为使f p g a 具有强大的功能，其基本组成单元可编程逻辑块c l b 必须具有组 合电路和时序电路的功能。c l b 主要是d j b l e 组成，b l e 的结构如图2 1 5 所示， b l e 由查找表l u t 、d 触发器和二选一数据选择器组成查找表主要实现组合电 路功能，根据输入信号选择s r a m d p 已经配置好的所需要输出的结果；d 触发器 实现时序电路功能；二选一数据选择器根据需要，使b l e 表现出组合电路特性或 时序电路特性。 d 触发器和二选一数据选择器是常用的器件，在此不作详细介绍，主要介绍 l u t ( 均结构。l u t 是一个组合电路，只能实现组合电路功能，而要实现时序功能， 需要将l u t 的输出作为d 触发器的输入来实现。举常用的四输入l u t 为例进行分 析，四输入l u t 结构如图2 1 6 所示，当输k 1 3 1 2 i l i o = 0 0 0 0 时，p 沟道场效应管 9 浙江大学硕士学位论文第2 章f p g a 概述与功耗分析 ( p o s i t i v ec h a n n e lm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，p m o s ) 1 、5 、7 、9 导通，输出信 号o u t 的值为s r a m o 中的值同理，当输入1 3 1 2 i l i o = 0 0 0 1 时，p m o s 管2 、5 、7 、 9 导通，输出信号o u t 的值为s r a m l 中的值。s r a m q b 的值是根据电路功能，通 过f p g a 综合编译软件预先配置到s r a m 中的，这样通过不同的输入，就能够得到 实现某个功能或完成处理的输出。以式( 2 1 1 ) 所举的逻辑电路为例，通过f p g a 软件综合可以得到其s r a m 的配置，如表2 1 1 所示。将c 从1 2 口接入，b 从i i 口接 入，a 从i o1 ：2 接入，最终f p g a 可以通过查找表得到所需要的结果。 a b c a b ( a ) 电路原理图 a b ( c ) 电路映射图 书 蝈 ( b ) 优化后的电路图( d ) 逻辑块功能实现图 图2 1 4 f p g a 实现y = 么b + c 逻辑电路功能的过程 y y 图2 1 5 基本逻辑单元b l e 的结构图 1 0 浙江大学硕士学位论文第2 章f p g a 概述与功耗分析 图2 1 6 四输入查找表l u t 结构图 表2 1 1 实现电路y = a b - 4 - c 功能的s r a m 配置表 s r a m 的值 1 2 ( c ) lj ( b ) i o ( a ) s r a m o l0o0 s r a m