Лекции
Практические
Лабораторные
Табель
Доп. материалы
- Заголовок
- Критерий качества схемы
- Автор
- Зайцев В.С.
- Нижний колонтитул
- Спец курс (Избранные главы VHDL)/Критерий качества схемы
- Дополнительный нижний колонтитул
- Зайцев В.С., 13:13, 2 декабря 2013
Слайд:Снижение энерго-потребления схем
| Способы сокращения потребления
|
Определение
|
Оптимизация дерева синхронизации
Clock tree optimization and clock gating
|
Отключаются ветви дерева синхронизации, которые не используются в данный момент времени.
|
| Операция изоляции Operand isolation
|
Уменьшается рассеиваемая мощность, путем использования разрешающего сигнала, если разрешающий сигнал не активен, то переключение блока не произойдет.
|
| Логическое деление блоков Logic restructuring
|
Разделение логики на блоки, работающие на высокой частоте и на низкой, на сколько это возможно.
|
| Изменение размеров транзисторов Logic resizing (transistor resizing)
|
Уменьшается динамический ток потребления (входные и выходные паразитные емкости), а так же токи утечки при переключении (сквозные токи).
|
| Использование буферов Transition rate buffering
|
Снижает мощность переключения путем уменьшения времени переключения.
|
| Замена точек подключения Pin swapping
|
Выбираются точки подключения с минимальной емкостной нагрузкой.
|
| Использование разных порогов Multi-Vth
|
Использование нескольких библиотек с разными характеристиками транзисторов (с низким порогом переключения – быстрее и выше утечки) или с более высокими – медленнее с более низкими утечками.
|
| Несколько напряжений питания в схеме Multi-supply voltage (MSV or voltage islands)
|
Функциональные блоки работают при различных напряжения питания.
|
| Динамическое изменение напряжения питания (DVS) Dynamic voltage scaling (DVS)
|
Позволяет менять напряжение питания блока во время работы схемы на лету.
|
| Динамическое изменение напряжения и частоты (DVFS) Dynamic voltage and frequency scaling (DVFS)
|
Позволяет менять напряжение питания и частоту блока во время работы схемы на лету.
|
| Адаптивное изменение напряжения и частоты Adaptive voltage and frequency scaling (AVFS)
|
In this variation of DVFS, a wider variety of voltages are set dynamically, based on adaptive feedback from a control loop; involves analog circuitry.
|
| Отключение питания (PSO) Power shut-off (PSO) [or power gating]
|
Отключение питания блоков, если он не используется.
|
| Разделение памяти Memory splitting
|
Если данные постоянные в одной области памяти и перезаписываются в другой, то целесообразно разделить области и отключать питание той области, где данные не изменяются.
|
| Смещение питания Substrate biasing (bodybiasing or back-biasing)
|
Смещение напряжения на кармане p-транзисторов выше VDD и подложки n-транзисторов ниже VSS.
|
Слайд:Снижение энерго-потребления схем (2)
|
|
Dynamic Power Savings
|
Leakage Power Savings
|
Timing Penalty
|
Area Penalty
|
Complexity and Time-to-Market (TTM) Penalties
|
Implementation Impact
|
Design Impact
|
Verification Impact
|
| Dynamic power reduction techniques
|
| Clock gating |
20% |
~0X
|
~0%
Clock tree insertion delay
|
<2% |
None |
Low |
Low |
None
|
| Operand isolation |
<5% |
~0X
|
~0% May add a few gates to pipeline
|
|
None |
None |
None |
None
|
| Logic restructuring
|
<5% |
~0X |
~0% |
Little |
None |
None |
None |
None
|
| Logic resizing
|
<5% |
~0X |
~0% |
~0% to –10% |
None |
None |
None |
None
|
| Transition rate buffering
|
<5% |
~0X |
~0% |
Little |
None |
None |
None |
None
|
| Pin swapping
|
<5% |
~0X |
~0% |
Little |
None |
None |
None |
None
|
| Leakage power reduction techniques
|
| Multi-Vth
|
0% |
2–3X |
~0% Automated |
2 to –2% |
Low |
Low |
None |
None
|
| Multisupply voltage (MSV)
|
40–50% |
2X
|
~0% Adds level shifters; clock scheduling issues due to latency changes
|
<10% Power routing and power interconnect; level shifters
|
High Design time, turnaround time, TTM
|
Medium |
Medium |
Low
|
| DVFS |
40–70% |
2–3X
|
~0% Adds level shifters, power-up sequence; clock scheduling issues due to dynamic latency changes
|
<10% Adds level shifters and a power management unit
|
High Design time, turnaround time, TTM
|
High |
High |
High
|
| Power shut-off (PSO)
|
~0% |
10–50X
|
4–8% Adds isolation cells, complex timing, wakeup time, rush currents
|
5–15% Adds isolation cells, state retention cells, alwayson cells; may have wider power grid due to rush currents; power management unit
|
High System architecture, support for power control, verification, synthesis, implementation, DFT
|
Mediumhigh |
High |
High
|
| Memory splitting
|
~0% |
Varies |
Varies Adds isolation cells for power shut-off
|
Varies |
Varies |
Mediumhigh |
High |
High
|
| Substrate biasing
|
~0% |
10X |
10% |
<10% |
High |
High |
Mediumhigh |
Medium
|
Пример VHDL
Слайд: Операция изоляции
Сравнение происходит постоянно по каждому такту
library ieee, std, djin18;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;
architecture beh of xcontroller is
signal count : unsigned (7 downto 0);
signal do_i : std_logic;
begin -- beh
process (clk, rst)
begin
if rst = '1' then
count <= x"00";
elsif clk'event and clk = '1' then
count <= count + 1;
end if;
end process;
DO_i <= '1' when count > x"0F" else
'0';
do <= do_i when en = '1' else
'0';
end beh; Сравнение происходит только, когда требуется
architecture beh2 of xcontroller is
signal count : unsigned (7 downto 0);
signal count_i : unsigned (7 downto 0);
signal do_i : std_logic;
begin -- beh
process (clk, rst)
begin
if rst = '1' then
count <= x"00";
elsif clk'event and clk = '1' then
count <= count + 1;
end if;
end process;
count_i <= count when en = '1' else
x"00";
DO_i <= '1' when count_i > x"0F" else
'0';
do <= do_i when en = '1' else
'0';
end beh2; Слайд: Логическое деление блоков
Обработка происходит каждый такт
library ieee, std, djin18;
architecture beh4 of xcontroller is
signal count : unsigned (7 downto 0);
signal count2 : unsigned (7 downto 0);
begin
process (clk, rst)
begin
if rst = '0' then
count <= x"00";
count2 <= x"00";
elsif clk'event and clk = '1' then
count <= count + 1;
if count = 10 then
count2 <= count2 + 1;
end if;
end if;
end process;
dbuso <= std_logic_vector(count2);
end beh4; Формируется строб обработки
architecture beh of xcontroller is
signal count : unsigned (7 downto 0);
signal count2 : unsigned (7 downto 0);
signal strob : std_logic;
begin
process (clk, rst)
begin
if rst = '0' then
count <= x"00";
strob <= '0';
elsif clk'event and clk = '1' then
count <= count + 1;
if count = 10 then
strob <= '1';
else
strob <= '0';
end if;
end if;
end process;
process (strob, rst)
begin
if rst = '0' then
count2 <= x"00";
elsif strob'event and strob = '1' then
count2 <= count2 + 1;
end if;
end process;
dbuso <= std_logic_vector(count2);
end beh; Слайд: Логическое деление блоков (рис)
Тактовый сигнал VS все тригеры
Строб управления VS все тригеры
Площадь схем кристалла
Слайд: Алгоритм кодирования миллера
Граф переходов, описывающий алгоритм получения кода Миллера
Возможные наборы переключений кода Миллера
Слайд: Различные описания блока кодирования RFID
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
ARCHITECTURE BEH1 OF MILLER IS
SIGNAL OUTPUT_DATAI : STD_LOGIC;
SIGNAL OUTPUT_DATAII : STD_LOGIC;
TYPE ST IS (a1,a2,a3,a4);
SIGNAL STATE , STATEI : ST;
signal input_data_i : std_logic;
begin
input_data_i <= input_data;
coder_proc: process (clk_i_d, rst)
begin -- process coder_proc
if rst = '1' then
state <= a1;
elsif clk_i_d'event and clk_i_d = '0' then
state <= statei;
end if;
end process coder_proc;acincro: process (state,statei,input_data_i)
begin -- process acincro
case state is
when a1 =>
if input_data_i = '0' then
statei <= a2;
else
statei <= a4;
end if;
when a2 =>
if input_data_i = '0' then
statei <= a3;
else
statei <= a4;
end if;
when a3 =>
if input_data_i = '0' then
statei <= a2;
else
statei <= a1;
end if;
when others =>
if input_data_i = '0' then
statei <= a3;
else
statei <= a1;
end if;
end case;
end process acincro; |
suncrodata: process (state,input_data_i,clk_i_d)
begin -- process suncrodata
case STATE is
when a1 =>
if input_data_i = '0' then
output_datai <= not clk_i_d;
else
output_datai <= '0';
end if;
when a2 =>
if input_data_i = '0' then
output_datai <= clk_i_d;
else
output_datai <= '0';
end if;
when a3 =>
if input_data_i = '0' then
output_datai <= not clk_i_d;
else
output_datai <= '1';
end if;
when others =>
if input_data_i = '0' then
output_datai <= clk_i_d;
else
output_datai <= '1';
end if;
end case;
end process suncrodata;
syn_out: process (clk, rst)
begin -- process syn_out
if rst = '1' then
output_data <= '1';
elsif clk'event and clk = '1' then
output_data <= output_datai;
end if;
end process syn_out;
end beh1; |
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
ARCHITECTURE BEH3 OF MILLER IS
TYPE ST IS (a1,a2,a3,a4);
SIGNAL STATE , STATEI : ST;
SIGNAL OUTPUT_DATAI : STD_LOGIC;
SIGNAL OUTPUT_DATAIi : STD_LOGIC;
signal input_data_i : std_logic;
begin
input_data_i <= input_data;
coder_proc: process (clk_i_d, rst)
begin -- process coder_proc
if rst = '1' then
state <= a1;
elsif clk_i_d'event and clk_i_d = '0' then
state <= statei;
end if;
end process coder_proc;statei <=
a1 when input_data = '1' and (state = a4 or state = a3) else
a2 when input_data = '0' and (state = a1 or state = a3) else
a3 when input_data = '0' and (state = a2 or state = a4) else
a4;
output_datai <=
'1' when statei = a1 else
not clk_i_d when statei = a2 else
clk_i_d when statei = a3 else
'0';
suncrodata: process (clk, rst)
begin -- process suncrodata
if rst = '1' then
output_data <= '1';
elsif clk'event and clk = '1' then
output_data <= output_datai;
end if;
end process suncrodata;
end beh3; |
architecture beh4 of miller is
signal input_data_i : std_logic;
signal syn_input_data_i : std_logic;
signal output_data_i : std_logic;
signal output_data_ii : std_logic;
--signal output_data_iii : std_logic;
signal syn_output_data_i : std_logic;
begin -- beh4
input_data_i <= input_data;
coder_proc: process (clk_i_d, rst)
begin -- process coder_proc
if rst = '1' then
syn_input_data_i <= '0';
elsif clk_i_d'event and clk_i_d = '1' then
syn_input_data_i <= input_data_i;
end if;
end process coder_proc;
pre_code_data: process (clk_i_d, rst)
begin -- process pre_code_data
if rst = '1' then
syn_output_data_i <= '1';
elsif clk_i_d'event and clk_i_d = '1' then
syn_output_data_i <= output_data_i;
end if;
end process pre_code_data; |
output_data_ii <=
(not clk_i_d) xor syn_output_data_i when input_data_i = '1' else
(not syn_output_data_i) xor syn_input_data_i;
output_signal_code_proc: process (clk, rst)
begin -- process output_signal_code_proc
if rst = '1' then
output_data_i <= '1';
elsif clk'event and clk = '1' then
output_data_i <= output_data_ii;
end if;
end process output_signal_code_proc;
output_data <= output_data_i;
end beh4; |
architecture beh5 of miller is
signal input_data_i : std_logic;
signal syn_input_data_i : std_logic;
signal output_data_i : std_logic;
signal output_data_ii : std_logic;
signal output_data_iii : std_logic;
signal syn_output_data_i : std_logic;
begin -- beh4
input_data_i <= input_data;
coder_proc: process (clk_i_d, rst)
begin -- process coder_proc
if rst = '1' then
syn_input_data_i <= '0';
elsif clk_i_d'event and clk_i_d = '1' then
syn_input_data_i <= input_data_i;
end if;
end process coder_proc;
pre_code_data: process (clk_i_d, rst)
begin -- process pre_code_data
if rst = '1' then
syn_output_data_i <= '1';
elsif clk_i_d'event and clk_i_d = '1' then
syn_output_data_i <= output_data_i;
end if;
end process pre_code_data; |
output_signal_code_proc: process (clk, rst)
begin -- process output_signal_code_proc
if rst = '1' then
output_data_i <= '1';
elsif clk'event and clk = '1' then
if input_data_i = '1' then
if syn_input_data_i = '1' then
if syn_output_data_i = '1' then
output_data_i <= clk_i_d;
else
output_data_i <= not clk_i_d;
end if;
else
if syn_output_data_i = '1' then
output_data_i <= clk_i_d;
else
output_data_i <= not clk_i_d;
end if;
end if;
else
if syn_input_data_i = '1' then
if syn_output_data_i = '1' then
output_data_i <= '1';
else
output_data_i <= '0';
end if;
else
if syn_output_data_i = '1' then
output_data_i <= '0';
else
output_data_i <= '1';
end if;
end if;
end if;
end if;
end process output_signal_code_proc;
output_data <= output_data_i;
end beh5; |
Слайд: Результаты синтеза конечного автомата
set encoding binary;
Encodings for ST values
value ST[1-0]
========================
a1 00
a2 01
a3 10
a4 11
...................
*******************************************************
Cell: fm0_miller View: beh2 Library: digital
*******************************************************
Cell Library References Total Area
fdr alib5 2 x 322 645 um_2
fds alib5 1 x 342 342 um_2
n alib5 3 x 31 94 um_2
na alib5 2 x 51 101 um_2
nao alib5 5 x 73 364 um_2
xnor2 alib5 1 x 100 100 um_2
Number of ports : 6
Number of nets : 19
Number of instances : 14
Number of references to this view : 0
Total accumulated area :
Number of um_2 : 1647
Number of accumulated instances : 14set encoding auto;
Encodings for ST values
value ST[1-0]
========================
a1 00
a2 01
a3 10
a4 11
*******************************************************
Cell: fm0_miller View: beh2 Library: digital
*******************************************************
Cell Library References Total Area
fdr alib5 2 x 322 645 um_2
fds alib5 1 x 342 342 um_2
n alib5 3 x 31 94 um_2
na alib5 2 x 51 101 um_2
nao alib5 5 x 73 364 um_2
xnor2 alib5 1 x 100 100 um_2
Number of ports : 6
Number of nets : 19
Number of instances : 14
Number of references to this view : 0
Total accumulated area :
Number of um_2 : 1647
Number of accumulated instances : 14set encoding grey;
Encodings for ST values
value ST[1-0]
========================
a1 00
a2 01
a3 11
a4 10
*******************************************************
Cell: fm0_miller View: beh2 Library: digital
*******************************************************
Cell Library References Total Area
fdr alib5 2 x 322 645 um_2
fds alib5 1 x 342 342 um_2
n alib5 2 x 31 63 um_2
na alib5 3 x 51 152 um_2
nao alib5 2 x 73 146 um_2
no alib5 1 x 52 52 um_2
no3a alib5 1 x 93 93 um_2
xnor2 alib5 1 x 100 100 um_2
xor2 alib5 1 x 108 108 um_2
Number of ports : 6
Number of nets : 19
Number of instances : 14
Number of references to this view : 0
Total accumulated area :
Number of um_2 : 1702
Number of accumulated instances : 14 Слайд: Быстродействие
set encoding binary;
Clock Frequency Report
Clock : Frequency
===============================================================================
clk_i_d : 287.4 MHz
clk : 310.3 MHz
Critical Path Report
Critical path #1, (path slack = 66.7):
NAME GATE ARRIVAL LOAD
================================================================================
rst/ 0.00 0.00 up 0.11
reg_STATE(0)_ix1_ix1_ix1/q fdr 1.28 1.28 up 0.07
ix442/y n 0.22 1.50 dn 0.04
ix444/y na 0.25 1.76 up 0.02
ix23/y na3o 0.59 2.35 dn 0.04
ix11/y nao 0.26 2.61 up 0.02
reg_STATE(0)_ix1_ix1_ix1/d fdr 0.00 2.61 up 0.00
data arrival time 2.61
data required time 69.30
================================================================================
data required time 69.30
data arrival time 2.61
==========
slack 66.69
================================================================================set encoding auto;
Clock Frequency Report
Clock : Frequency
=====================================
clk_i_d : 287.4 MHz
clk : 310.3 MHz
Critical Path Report
Critical path #1, (path slack = 66.7):
NAME GATE ARRIVAL LOAD
================================================================================
rst/ 0.00 0.00 up 0.11
reg_STATE(0)_ix1_ix1_ix1/q fdr 1.28 1.28 up 0.07
ix442/y n 0.22 1.50 dn 0.04
ix444/y na 0.25 1.76 up 0.02
ix23/y na3o 0.59 2.35 dn 0.04
ix11/y nao 0.26 2.61 up 0.02
reg_STATE(0)_ix1_ix1_ix1/d fdr 0.00 2.61 up 0.00
data arrival time 2.61
data required time 69.30
================================================================================
data required time 69.30
data arrival time 2.61
==========
slack 66.69
================================================================================ set encoding grey;
Clock Frequency Report
Clock : Frequency
====================================
clk_i_d : 238.9 MHz
clk : 277.7 MHz
Critical Path Report
Critical path #1, (path slack = 66.0):
NAME GATE ARRIVAL LOAD
=================================================================================
rst/ 0.00 0.00 up 0.11
ix455/q fdr 1.33 1.33 up 0.09
ix23/y xnor2 0.77 2.10 up 0.07
ix477/y na 0.34 2.44 dn 0.02
ix17/y nao 0.26 2.70 up 0.02
ix474/y na 0.35 3.05 dn 0.02
ix453/y nao 0.26 3.31 up 0.02
ix455/d fdr 0.00 3.31 up 0.00
data arrival time 3.31
data required time 69.30
================================================================================
data required time 69.30
data arrival time 3.31
===========
slack 65.99
================================================================================= 
