基于架构和任务调度的FPGA低功耗研究

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1、浙江大学硕士学位论文摘要FPGA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FPGA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FPGA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，FPGA低功耗的研究具有重要意义。FPGA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，

2、等级越高，所能降低的功耗越多。本文主要从系统级对FPGA的架构和可重构FPGA任务调度进行低功耗研究。首先从异构FPGA架构方面，分析功耗影响因素，搭建异构FPGA的功耗评估平台，研究连接复杂度Fc参数对异构FPGA功耗的影响。其次提出了基于DFG的双电压可重构FPGA任务模型与调度算法，该模型较好的描述了DFG任务在双电压可重构FPGA中执行的特征；提出的调度算法使DFG任务在可重构FPGA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FPGA系统，提出了并行数据在并行可重构F

3、PGA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FPGA数量最优，任务执行时间最短，从而降低系统能耗。通过Fc参数对异构FPGA功耗影响的研究，发现当Fc参数取输入连接复杂度Fcinput=80％，输出连接复杂度Fcoutput=70％时，可以使异构FPGA在实现电路功能时功耗最低。提出的基于DFG的双电压可重构FPGA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FPGA任务模型平均节约能耗14．1％，并且任务集越大节约能耗越多．虽然双电压

4、可重构FPGA中DFG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FPGA中实现的功能。提出的并行可重构FPGA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FPGA处ⅡⅡI浙江大学硕士学位论文AbstractFPGAsbecomeincreasinglypopularandprivilegedintheembeddedsystemde-signduotOearlytime—to-market，noNRE(Non—RecurringExpen

5、diture)costandeasytransitiontostructuredASIC．However，FPGA—basedsystemsaresignificantlymorepower-hungrycomparedwiththeASIC—based，especiallyconsideringlogicdensityimproving，aggressiveprocessscalingandprocessingspeedincreasing．Thistrendwilldecreasethest

6、ability,thereliabilityandthedurabilityofFPGAs．Additionally，theportabledevicesrequestlongerStandbytimeandlesspowerconsumption．ConsideringthatthereductionofpowerisbeneficialforFPGAintermsofalltheaboveissues，theresearchonlow—powerFPGAsissignificantlymor

7、epronouncedthanotherissues．BasedontheperspectiveofFPGAsdesign，therearethreehierarchicallevelsfromhigh—leveltolowlevel，i．e．，systemlevel，RTL(Register-TransferLevel)levelandtransistorlevel．Thehigherlevelis，themoredesignfreedomis，whichmeansthemorepowerre

8、duction．Thispaperaddressesthelow-powerissue011FPGAsanddevelopsthein-depthstudyaboutarchitectureexplorationandtaskschedulingbasedonthereconfigurableFPGAplatformatthesystemlevel．TherearethreemainpartsinthispapenFirstly,webuilttheevaluationplatformofFPG