進(jìn)行FPGA代碼實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的問(wèn)題及解決辦法

問(wèn)題描述

在做一些項(xiàng)目的時(shí)候，拿到算法模型之后，開(kāi)始進(jìn)行FPGA代碼的實(shí)現(xiàn)，在最開(kāi)始的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，往往只考慮實(shí)現(xiàn)功能，在資源的使用上不夠“摳”，耗費(fèi)了大量的LUT、FF、RAM、BUFG、DSP等各種資源，造成的后果：

1，資源使用超標(biāo)，超過(guò)FPGA芯片資源總量，無(wú)法編譯通過(guò)；

2，資源使用過(guò)量，使得資源余量較低，布局布線困難，容易產(chǎn)生時(shí)序問(wèn)題；

3，資源使用過(guò)量，雖然時(shí)序沒(méi)有問(wèn)題，但資源使用過(guò)多，會(huì)使整個(gè)FPGA芯片的功耗增大，從而造成整個(gè)硬件模塊的功耗增大，不僅會(huì)增大能耗，耗費(fèi)成本，如果此時(shí)設(shè)備散熱不好，在一定的高溫條件下，會(huì)使芯片及設(shè)備功能異常，無(wú)法進(jìn)行工作。

因此，在使用FPGA進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，及編碼過(guò)程中，在設(shè)計(jì)初期就必須考慮降低功耗。

解決方法

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于FPGA芯片，使用的資源越多，功耗越大；使用的時(shí)鐘頻率越高，功耗越大。而資源和時(shí)鐘，也就分別代表了我們經(jīng)常說(shuō)的FPGA的面積和時(shí)間，這兩個(gè)東西往往是矛盾的，所以這也涉及到FPGA的“哲學(xué)”問(wèn)題——面積和時(shí)間的平衡。

我簡(jiǎn)單回顧了一下，以往使用到的降功耗的策略（不夠完整，想起了再加；不夠細(xì)節(jié)，有些策略涉及到具體代碼才能體現(xiàn)），主要有以下部分：

1、巧用RAM

RAM一般是資源中較為吃緊的資源，我之前碰到過(guò)的瓶頸一般都在RAM，對(duì)于RAM來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)位寬很重要，合理的位寬會(huì)減少RAM的使用，比如兩個(gè)1bit的RAM，例化兩個(gè)分開(kāi)的RAM，就不如拼起來(lái)用一個(gè)2bit的RAM。

而對(duì)于18kRAM來(lái)說(shuō)，2bit位寬也是極大的浪費(fèi)，用滿(mǎn)18bit位寬應(yīng)是最佳的選擇。

在深度較低時(shí)，還可以適當(dāng)選用RAM－based shift Register。

2、懂得復(fù)用

在處理時(shí)鐘較高的情況下，可以對(duì)某些模塊進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，這樣雖然只例化了少量模塊，但在一定時(shí)間內(nèi)，可以通過(guò)高處理時(shí)鐘，多次利用該模塊進(jìn)行運(yùn)算。

這樣就可用少量資源實(shí)現(xiàn)多次運(yùn)算，減少例化，通信工程中的數(shù)字同步往往利用了該原理。

3、降低時(shí)鐘頻率

除非有特別高的處理要求，否則在設(shè)計(jì)初期，如果時(shí)鐘頻率能夠滿(mǎn)足要求，則不建議采用更高的處理時(shí)鐘頻率，頻率越高，帶來(lái)的功耗影響是很大的。

在高處理時(shí)鐘頻率下，布局布線也容易產(chǎn)生時(shí)序問(wèn)題。而在一些對(duì)性能要求很高的通信系統(tǒng)中，處理時(shí)鐘頻率往往是很高的，這就對(duì)工程師的編碼能力提出了更高的要求，在編碼初期就要考慮如何寫(xiě)代碼，才能讓時(shí)序更優(yōu)。

4、學(xué)會(huì)關(guān)閉時(shí)鐘

對(duì)于vivado工程來(lái)說(shuō)，善用時(shí)鐘的BUFGCE功能，在某些模塊不需要進(jìn)行運(yùn)算的時(shí)候，直接關(guān)閉該模塊的時(shí)鐘，將帶來(lái)極大的功耗收益。

但該方法力求精準(zhǔn)，不注意的話將引起功能問(wèn)題。

5、學(xué)會(huì)關(guān)閉模塊功能

對(duì)于整個(gè)硬件模塊來(lái)說(shuō)，在控制上，對(duì)于閑置的硬件模塊或外圍器件，要學(xué)會(huì)關(guān)閉，進(jìn)行模塊級(jí)的功耗最優(yōu)化。

6，降采樣率

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于數(shù)字接收處理中的某些步驟(如幀同步等)，采樣率越高，性能越好，而相對(duì)而言，采樣率越高，資源消耗越大。這時(shí)就需要找到最佳的采樣率，達(dá)到性能與資源的平衡，采樣率達(dá)到一定程度，使得幀同步不再是性能瓶頸，則可以采用。

7，不寫(xiě)冗余邏輯

毫無(wú)疑問(wèn)，冗余的邏輯會(huì)增加資源的負(fù)擔(dān)，從設(shè)計(jì)的角度，多考慮下不同的方法，找到最合適最簡(jiǎn)單的方法，也許有些多余的模塊直接就可以省下。一千個(gè)人有一千個(gè)哈姆雷特，多和有經(jīng)驗(yàn)的人學(xué)習(xí)。

8，學(xué)會(huì)資源之間互相轉(zhuǎn)化，合理配比

資源之間是可以互換的，RAM，LUT，F(xiàn)F之間都可以互換，如果某一項(xiàng)資源緊張，則可以考慮用其他資源代替。資源之間保持合理配比，如LUT和FF的比例一般為2：1最好。

9，減少不必要的大功率接口組件

有些接口組件如GTX等，功率消耗較大，特別是在線速率較高時(shí)，因此應(yīng)盡量減少使用數(shù)量。

10，。。。

這會(huì)只想到這么多，后面想起再加吧。

審核編輯：劉清