Caracterización y medida de consumo de energía en sistemas basados en FPGAs de XILINX

摘要

En este trabajo de fin de máster se ha estudiado el consumo de potencia de circuitos digitales para la placa BASYS2 y la eficacia y precisión de la herramienta de estimación de consumo Xpower Analyzer de XILINX. Los resultados de la estimación del consumo de potencia de circuitos digitales es contrastada con medidas físicas realizadas en laboratorio, dicha estimación de consumo de energía como ya dijimos se realiza con la herramienta XPA ISE14.7 de XILINX.udEl objetivo principal del proyecto es analizar un circuito digital determinado variando la longitud de los vectores de entrada y salida del mismo, estudiando a la par también los parámetros más importantes a la hora de reducir el consumo de energía de estos sistemas digitales basados en FPGAs.udSon cuatro los términos matemáticos involucrados en la medida del consumo de potencia en circuitos digitales, pero el más importante a la hora de reducir el consumo es el de la potencia dinámica, que es la potencia relacionada a las conmutaciones en los nodos del circuito, tanto internamente como en las entradas y salidas.udPara la medida física del consumo de potencia en la placa BASYS2, existe una variedad de sistemas de adquisición de datos en este proyecto optamos por el más sencillo de todos, el cual no añadía consumo de más que el que solo queríamos medir que es el de la placa en cuestión, este sistema consiste en una resistencia de Shunt en serie con la fuente y la placa BASYS2, lo que medimos es la tensión e indirectamente con el valor de la resistencia calculamos la intensidad, teniendo estos datos calculamos fácilmente el consumo de potencia.udPara el estudio contamos también con un generador de números aleatorios LFSR, el cual también se detalla en los anexos de este libro específicamente el Apéndice A, se ha utilizado solo un bloque generador de números aleatorios para cada experimento con el circuito, a este código Generador de números aleatorios integramos un multiplicador genérico cuyo código esta también detallado en el Apéndice B, a la hora de variar las entradas y salidas y obtener así una medida de la lógica en el sistema.udEn la placa BASYS2 realizamos varias pruebas, con el circuito multiplicador genérico, variamos las entradas salidas del mismo de la siguiente forma, para una entrada de 2 bits, la salida correspondiente es de 4 bits, para una entrada de 3 bits la salida correspondiente seria de 6 bits, y asi sucesivamente hasta probar entradas de N bits con salida de 2*Nbits.udComo comentamos al principio hemos utilizado las herramientas del ISE14.7 como ISIM para realizar las simulaciones, y la herramienta XPower Analyzer para estimar la energía consumida por los nodos de cada prueba.udSe han realizado en total 44 diferentes pruebas sobre la BASYS2, y un total de 44 simulaciones, y estimaciones de potencia con el XPower Analyzer de XILINX, utilizamos los circuitos internos de gestión de reloj llamados DCM del inglés Digital Clock managers, cabe mencionar que si generamos una frecuencia menor a 50MHz(frecuencia de trabajo por defecto de la BASYS2) con el DCM la potencia no será menor por ser la frecuencia menor precisamente si no que aumentara el consumo debido a la utilización de estos bloques DCM, utilizamos también estos bloques para realizar las pruebas a reloj parado que se detallan en el capítulo de metodología de este libro.udLa conclusión a la que llegamos y que se puede ver a través de las pruebas realizadas es que al aumentar la longitud de los vectores de entrada/salida del circuito aumenta la potencia consumida, ya que se utilizan más recursos de la placa, lo que es muy intuitivo, y nos lleva a concluir que el efecto de añadir más lógica a un sistema aumenta el consumo de potencia. Lo anterior implica que a la hora de reducir el consumo de potencia de un sistema, es necesario reducir al máximo la lógica del mismo, que es una técnica de bajo consumo para circuitos digitales tenida en cuenta por los programadores.