低功耗技术——流水线设计（加法器和乘法器）

前言

2023.3.31 今天学习降低功耗的一些方法

一、流水线

电路最高工作频率：取决于最长的组合逻辑电路的延时值

数据传播时，在某一个时刻，该路径下许多电路逻辑单元都没有工作，电路效率很低。

流水线：将组合逻辑系统地分割，并在各个部分（分级）之间插入寄存器，并暂存中间数据的方法。

举例：两级组合逻辑，非流水线操作，一个周期就能输出结果；
流水线设计的话，插入两级寄存器，输出第一个数据需要两个周期，接下来每个周期输出一个数据。

优点：每一小部分并行处理，提高了数据吞吐率；同时小部分的延时较小，提高电路时钟频率。

缺点：插入寄存器，实际上是用面积换速度的方法，会导致芯片面积增加，布线困难，时钟偏差增加，功耗也会增加。

应用场景：

• 组合逻辑较长
• 功能模块之间的流水线，用乒乓来交换数据

1、16bit加法器

非流水线设计：

module adder(
	input [15:0] a,
	input [15:0] b,
	input clk,
	input cin,
	output cout,
	output [15:0] sum
);
	assign {cout,sum} = a + b + cin;
endmodule

流水线设计：

有个疑问，第二级寄存器是不是也可以不需要，但是加法计算需要时间？

module adder(
	input [15:0] a,
	input [15:0] b,
	input clk,
	input cin,
	output cout,
	output reg [15:0] sum
);
	reg [7:0] a_r;
	reg [7:0] b_r;
	reg cout_r;
	reg [7:0] sum_r;
	
	//第一级寄存器，除了寄存低8bit的计算结果，还要寄存没有用到的高8bit，所有数据经过寄存器要相同，这样数据才会同时达到第二级寄存器
	always@(posedge clk)begin
		a_r <= a[15：8];
		b_r <= b[15：8];
		{cout_r, sum_r} <= a[7:0] + b[7:0] + cin;
	end
	
	//第二级寄存器
	always@(posedge clk)begin
		{cout, sum[15：8]} <= a_r + b_r + cout_r;
		sum[7:0] <= sum_r;
	end
endmodule

2、无符号4bit乘法器

乘法器：并行（*）、移位相加、查找表、加法树、并行乘法器

下面是流水线乘法器的电路图

module multi_pipe#(
	parameter size = 4
)(
	input 						clk 		,   
	input 						rst_n		,
	input	[size-1:0]			mul_a		,
	input	[size-1:0]			mul_b		,
 
 	output	reg	[size*2-1:0]	mul_out		
);

	parameter N = size * 2;
    //defination
    wire [N - 1 : 0] temp [3:0];
     
    reg [N - 1 : 0] adder_0;
    reg [N - 1 : 0] adder_1;
     
    //output
    genvar i;
    generate
        for(i = 0; i < 4; i = i + 1)begin : loop
            assign temp[i] = mul_b[i] ? mul_a << i : 'd0;
        end
    endgenerate
     
     //这一部分为了更清楚，也可以分开写成两个，因为这里用到了两级寄存器
    always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
        if(!rst_n) begin
        	adder_0 <= 'd0;
        	adder_1 <= 'd0;
        	mul_out <= 'd0;
        end
        else begin
	        adder_0 <= temp[0] + temp[1];
	        adder_1 <= temp[2] + temp[3];
	        mul_out <= adder_0 + adder_1;
        end
    end
endmodule

3、编写一个4bit乘法器模块，并例化该乘法器求解c=12a+5b

//4bit乘法器模块
module mul(
    input [3:0] a,
    input [3:0] b,
    output [7:0] c
);
    wire [7:0] tmp [3:0];
    genvar i;
    generate for (i=0; i<4; i=i+1) begin
        assign tmp[i] = a[i] ? b << i : 'd0;
    end
    endgenerate
    
    assign c = tmp[0] + tmp[1] + tmp[2] + tmp[3];
    
endmodule

module calculation(
	input clk,
	input rst_n,
	input [3:0] a,
	input [3:0] b,
	output [8:0] c
	);
    
    wire [7:0] tmp0;
    wire [7:0] tmp1;
    reg  [8:0] c_r;
    
    mul mul_0 (a, 12, tmp0);
    mul mul_1 (b, 5 , tmp1);
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            c_r <= 'd0;
        end
        else begin
            c_r <= tmp0 + tmp1;
        end
    end
    assign c = c_r;
endmodule

二、降低FPGA功耗

1、静态功耗

使用低功耗的工艺来设计芯片，减小漏电流；也可以降低温度来降低静态功耗。

2、动态功耗

• 选择适当的IO标准，IO端电压高，功耗大
• 信号使能，用片选或者时钟使能来控制寄存器
• 禁止非活动状态的时钟树翻转，之前时钟使能是使得时钟不总是翻转，但是时钟树总是在翻转的，这样还是会有功耗，因此要把非活跃区域的时钟树禁止翻转来减少功耗
• 减少状态机的转换量，使用1位有效编码或格雷码
• 选择合适的低功耗器件