0 引言

    在FPGA對Flash控制操作中，有限狀態(tài)機（Finite State Machine，F(xiàn)SM）與多進(jìn)程描述方式相比有著層次分明、結(jié)構(gòu)清晰、易于修改和移植的明顯優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)狀態(tài)機在描述實現(xiàn)寄存器存儲狀態(tài)信息、組合邏輯產(chǎn)生下一個狀態(tài)和輸出值時，大量使用了FPGA的布線、查找表、寄存器等寶貴資源^[1]。

    為了實現(xiàn)FPGA的可編程性，在其內(nèi)部使用了大量的可編程邏輯開關(guān)。由于可編程邏輯開關(guān)的電阻較金屬線大得多，而且引入了大量的寄生電容，從而增加了電路功耗，降低了電路速度^[2]（研究表明，總動態(tài)功耗中62%來自于可編程布線資源）。而且大量組合邏輯容易受到布局布線延遲，在查找表的輸出端產(chǎn)生“毛刺”，當(dāng)系統(tǒng)時鐘頻率、操作密度大幅提高時，極易引起時序邏輯錯誤^[3]。為此，研究了一種基于存儲器映射的有限狀態(tài)機邏輯實現(xiàn)方法，對FPGA資源進(jìn)行選擇性使用，從而達(dá)到降低FPGA功耗、提高運行可靠性的目的。

1 NAND Flash芯片接口及底層驅(qū)動實現(xiàn)

    NAND Flash芯片是通過異步高性能I/O與主控芯片通信的，8位復(fù)用總線傳輸操作指令、操作地址以及數(shù)據(jù)，多個控制信號來區(qū)分總線接口狀態(tài)以及獲取芯片工作狀態(tài)，如圖1。

    NAND Flash芯片控制器主要完成初始化、無效塊檢測、塊擦除、頁編程和頁讀取共5個基本操作模式。其中初始化操作與無效塊校驗是在系統(tǒng)上電后需要率先完成的操作，隨后控制器將進(jìn)入到空閑狀態(tài)，并根據(jù)輸入的相應(yīng)控制信號完成剩下的塊擦除、頁編程和頁讀取操作。各個操作模式都是狀態(tài)轉(zhuǎn)移實現(xiàn)一定時序的輸出與接收，并且用狀態(tài)機容易實現(xiàn)。以塊擦除為例，其中輸入信號有Erase_en、Earse_do和R/B 3個信號，輸出信號有CLE、ALE、WE、RE 4個信號，狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

2 基于存儲器映射的有限狀態(tài)機設(shè)計

2.1 基于優(yōu)化資源配置的低功耗、高可靠設(shè)計思路

    目前主流的FPGA芯片內(nèi)部除含有查找表、觸發(fā)器、布線資源等基本邏輯資源外，還集成了塊RAM、分部式RAM、時鐘管理等多種豐富的資源。FPGA的可編程特性主要靠布線結(jié)構(gòu)中的可編程開關(guān)連接可編程邏輯塊實現(xiàn)。

    不同類型資源所消耗的動態(tài)功耗在FPGA總功耗中所占比例不同。其中總動態(tài)功耗的62%來自于布線資源，19%來自于時鐘網(wǎng)絡(luò)，而可編程邏輯塊只占動態(tài)功耗的19%^[4]。

    根據(jù)FPGA中各種資源性能、功耗不同的現(xiàn)象，提出了一種新的設(shè)計思路，即在滿足系統(tǒng)性能的前提下，對FPGA資源進(jìn)行優(yōu)化選擇性使用，盡可能使用相對較低功耗的資源完成設(shè)計任務(wù)。將有限狀態(tài)機映射到FPGA內(nèi)部RAM中執(zhí)行，不僅可以減少布線資源的使用，從而降低FPGA的動態(tài)功耗，而且能夠消除高速狀態(tài)下切換布線延遲產(chǎn)生的錯誤或者無效狀態(tài)^[5]。

2.2 基于存儲器映射的有限狀態(tài)機設(shè)計方法

    狀態(tài)機組合邏輯都可以抽象為一定輸入編碼與一定輸出編碼的對應(yīng)，即當(dāng)前狀態(tài)與輸入信號共同決定次態(tài)的編碼^[6]。為了能在塊RAM中執(zhí)行有限狀態(tài)機，需要將狀態(tài)機的編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)移等信息映射到塊RAM中。具體方法為：塊RAM中每個存儲單元內(nèi)容分為狀態(tài)機的狀態(tài)編碼信息與狀態(tài)機的輸出信息兩部分。由狀態(tài)機的當(dāng)前編碼信息和狀態(tài)機的輸入信息一起構(gòu)成下一個狀態(tài)編碼信息的存儲地址。

    如果采用[D2:D0]表示Flash塊擦除狀態(tài)機的8個操作狀態(tài)、[D4:D3]表示分3次發(fā)送的操作塊地址信息、[D5]表示所用的兩個操作命令，則操作狀態(tài)編碼、地址編碼、命令編碼即可唯一確定該狀態(tài)機當(dāng)前所處的狀態(tài)(具體編碼方式如圖3所示)。其中次態(tài)的高4位是狀態(tài)機向下一狀態(tài)轉(zhuǎn)化時的輸出值，用于對Flash芯片的控制；當(dāng)前態(tài)的高3位是狀態(tài)機的輸入控制信號。采用這種編碼方式容易將圖2所示的有限狀態(tài)機表示為當(dāng)前態(tài)與次態(tài)對應(yīng)的真值表見表1。

    將表1中當(dāng)前態(tài)作為RAM的存儲地址，次態(tài)作為RAM中存儲的數(shù)據(jù)，即可以將圖2所示的有限狀態(tài)機映射到存儲器上執(zhí)行，如圖4所示。狀態(tài)機進(jìn)行轉(zhuǎn)化時，下一狀態(tài)的編碼信息存儲地址由當(dāng)前狀態(tài)的編碼信息和狀態(tài)機的輸入信息共同決定。同樣，F(xiàn)lash操作中其他的操作模式均可以按這種方式編碼并映射為用存儲器執(zhí)行的有限狀態(tài)機。

    實現(xiàn)有限狀態(tài)機到存儲映射所需要的存儲空間最大為：

    M=2ⁱ×（O+S）

其中i表示狀態(tài)機輸入的位數(shù)，O表示狀態(tài)機輸出的位數(shù)，S是狀態(tài)編碼的位數(shù)。

    當(dāng)然，當(dāng)有限狀態(tài)機越來越復(fù)雜時，其所需的存儲空間容量越來越大，也可以適當(dāng)?shù)馗鶕?jù)實際情況通過邏輯控制對地址控制進(jìn)行修正來減小存儲空間需求。

3 NAND Flash控制中的低功耗優(yōu)化設(shè)計

    FPGA的功耗主要包含靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分。靜態(tài)功耗主要取決于所選FPGA的型號；動態(tài)功耗是所有電容性節(jié)點充放電產(chǎn)生的組合功耗和電路轉(zhuǎn)換過程中的短路電流形成的功耗^[7]。降低FPGA動態(tài)功耗的思路為：在保證滿足設(shè)計要求的情況下，通過降低內(nèi)部信號的翻轉(zhuǎn)率來降低功耗。其手段包括對時鐘進(jìn)行管理與增加防火墻寄存器。

3.1 基于時鐘管理模塊的低功耗優(yōu)化

    在FPGA內(nèi)部時鐘信號不斷翻轉(zhuǎn)，由時鐘信號派生出的信號通常運行在主時鐘頻率的較小分量^[8]（通常為12%~15%）。所以在所有高耗能信號中，時鐘是主要矛盾。通常情況下，一個狀態(tài)機會在某個時間段內(nèi)保持同一個狀態(tài)不變，但其時鐘始終處于翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，關(guān)閉閑置模塊程序的時鐘可以降低時鐘資源產(chǎn)生的功耗^[9]。在Flash操作中，當(dāng)FPGA處于擦除模式時，初始化操作、無效塊校驗、頁編程和頁讀取模式均處于閑置狀態(tài)。圖4中時鐘管理模塊負(fù)責(zé)對FPGA內(nèi)部各模塊的時鐘進(jìn)行管理，只有該模塊處于工作狀態(tài)時時鐘信號才會翻轉(zhuǎn)。在設(shè)計中增加時鐘管理模塊非常簡單，可以在硬件描述語言中添加，也可以通過綜合工具自動添加。

3.2 增加防火墻寄存器的低功耗優(yōu)化

    在FPGA程序設(shè)計中大量組合邏輯很容易受到布局布線延遲在查找表的輸出端產(chǎn)生“毛刺”?！懊獭痹诤罄m(xù)組合邏輯電路的傳播中，可能導(dǎo)致多米諾骨牌效應(yīng)，致使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，而且增加了調(diào)試難度，消耗了大量的能量。研究表明，由“毛刺”在大量組合邏輯中的傳遞引起的動態(tài)功耗占總動態(tài)功耗的10%。用FPGA實現(xiàn)大多數(shù)電路功能時，F(xiàn)PGA內(nèi)部大部分的基本邏輯單元中的觸發(fā)器（Flip-Flop，F(xiàn)F）沒有使用，將這些未用的FF添加到信號傳輸路徑上被稱作增加防火墻寄存器^[10]（如圖5）。通過在程序中添加防火墻寄存器來分割組合邏輯，把每個邏輯功能限制在相鄰的邏輯單元中，從而縮短布線長度和減小負(fù)載電容，將“毛刺”波的傳遞限制在最小范圍，達(dá)到降低功耗的目的。

4 仿真實驗結(jié)果及分析

    為了比較分析傳統(tǒng)狀態(tài)實現(xiàn)方法與基于RAM映射的有限狀態(tài)機設(shè)計以及低功耗優(yōu)化方法的性能差別，對設(shè)計完成FPGA內(nèi)部資源消耗情況、功耗評估以及理論最高工作頻率3方面進(jìn)行測試。

    整個試驗以Xilinx公司的Spartan-6系列FPGA XC6SLX150為目標(biāo)器件，選用ISE13.1版本的綜合工具，并利用ISE中自帶的XPower進(jìn)行功耗分析。XPower從布局和布線（.ncd）文檔中獲得FPGA設(shè)計信息，從Vcd文檔中獲得設(shè)計中所需的時鐘、開關(guān)活動等信息，該文件可在布局和布線時在Pwr文檔中得出功耗報告。仿真結(jié)果如表2。

    從表中可以看出，基于RAM映射的有限狀態(tài)機設(shè)計僅僅增加一個片內(nèi)Block RAM資源的使用就使內(nèi)部其他資源占用率下降到傳統(tǒng)方式的1/3，總功耗也能下降到原來的50%以下，并且最大工作頻率有明顯提高。對基于RAM映射的有限狀態(tài)機進(jìn)行低功耗優(yōu)化后僅僅增加了小部分閑置FFs資源的使用，使FPGA總功耗進(jìn)一步下降到傳統(tǒng)狀態(tài)機設(shè)計的43.1%，而且最大工作頻率提高了65.6%。

5 結(jié)論

    文章針對Flash控制應(yīng)用中實現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)機的設(shè)計時存在高速可靠性與動態(tài)功耗的問題進(jìn)行研究，提出了一種優(yōu)化FPGA內(nèi)部資源使用方法，利用FPGA內(nèi)部存儲資源構(gòu)成有限狀態(tài)機的設(shè)計并進(jìn)行了低功耗優(yōu)化。其將傳統(tǒng)方式下的狀態(tài)機電路結(jié)構(gòu)中不斷變化的狀態(tài)機寄存器信息轉(zhuǎn)化成RAM中的固定模塊，減少了使用功耗較高的布線資源。不僅有效降低了FPGA動態(tài)功耗，而且能夠消除高速狀態(tài)下切換布線延遲產(chǎn)生的錯誤或者無效狀態(tài)，特別適合大規(guī)模的復(fù)雜狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，使得各個狀態(tài)機切換具有等間隔的時間延遲。增加時鐘管理模塊關(guān)閉閑置模塊的運行以及添加防火墻寄存器限制“毛刺”傳播，進(jìn)一步降低了FPGA的動態(tài)功耗，提高了系統(tǒng)可靠性。該方法很容易遷移到其他FPGA應(yīng)用設(shè)計中，有較高的實用價值。

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