降低FPGA功耗的設(shè)計(jì)技巧和ISE功能分析工具

新一代FPGA的速度變得越來越快，密度變得越來越高，邏輯資源也越來越多。那么如何才能確保功耗不隨這些一起增加呢?很多設(shè)計(jì)抉擇可以影響系統(tǒng)的功耗，這些抉擇包括從顯見的器件選擇到細(xì)小的基于使用頻率的狀態(tài)機(jī)值的選擇等。

為了更好地理解本文將要討論的設(shè)計(jì)技巧為什么能夠節(jié)省功耗，我們先對(duì)功耗做一個(gè)簡單介紹。

功耗包含兩個(gè)因素：動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗是指對(duì)器件內(nèi)的容性負(fù)載充放電所需的功耗。它很大程度上取決于頻率、電壓和負(fù)載。這三個(gè)變量中的每個(gè)變量均在您的某種控制之下。

動(dòng)態(tài)功耗=電容×電壓2×頻率

靜態(tài)功耗是指由器件中所有晶體管的泄漏電流(源極到漏極以及柵極泄漏，常常集中為靜止電流)引起的功耗，以及任何其他恒定功耗需求之和。泄漏電流很大程度上取決于結(jié)溫和晶體管尺寸。

恒定功耗需求包括因終接(如上拉電阻)而造成的電流泄漏。沒有多少措施可以采用來影響泄漏，但恒定功耗可以得到控制。

盡早考慮功耗

您在設(shè)計(jì)的早期階段做出的功耗決定影響最大。決定采用什么元件對(duì)功耗具有重大意義，而在時(shí)鐘上插入一個(gè)BUFGMUX則影響甚微。對(duì)功耗的考慮越早越好。

恰當(dāng)?shù)脑?/p>

并不是所有元件都具有相同的靜止功耗。根據(jù)普遍規(guī)則，器件工藝技術(shù)尺寸越小，泄漏功耗越大。但并不是所有工藝技術(shù)都一樣。例如，對(duì)于90nm技術(shù)來說，Virtex-4器件與其他90nm FPGA技術(shù)之間在靜止功耗方面存在顯著差異，然而，在靜止功耗隨工藝技術(shù)縮小而增加的同時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗卻隨之減小，這是由于較小的工藝有著更低的電壓和電容。考慮好哪種功耗對(duì)你的設(shè)計(jì)影響更大——待機(jī)(靜止)功耗還是動(dòng)態(tài)功耗。

除通用切片邏輯單元外，所有Xilinx器件都具有專門邏輯。其形式有塊RAM、18×18乘法器、DSP48塊、SRL16s，以及其他邏輯。這不僅在于專門邏輯具有更高的性能，還在于它們具有更低的密度，因而對(duì)于相同的操作可以消耗較少的功率。評(píng)估您的器件選項(xiàng)時(shí)，請(qǐng)考慮專門邏輯的類型和數(shù)量。

選擇適當(dāng)?shù)?strong>I/O標(biāo)準(zhǔn)也可以節(jié)省功耗。這些都是簡單的決定，如選擇最低的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度或較低的電壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)速度要求使用高功率I/O標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，計(jì)劃一個(gè)缺省狀態(tài)以降低功耗。有的I/O標(biāo)準(zhǔn)(如GTL/+)需要使用一個(gè)上拉電阻才能正常工作。因此如果該I/O的缺省狀態(tài)為高電平而不是低電平，就可以節(jié)省通過該終接電阻的直流功耗。對(duì)于GTL+，將50Ω終接電阻的適當(dāng)缺省狀態(tài)設(shè)置為1.5V，可使每個(gè)I/O節(jié)省功耗30mA。

數(shù)據(jù)使能

當(dāng)總線上的數(shù)據(jù)與寄存器相關(guān)時(shí)，經(jīng)常使用片選或時(shí)鐘使能邏輯來控制寄存器的使能。進(jìn)一步來說，盡早對(duì)該邏輯進(jìn)行“數(shù)據(jù)使能”，以阻止數(shù)據(jù)總線與時(shí)鐘使能寄存器組合邏輯之間不必要的轉(zhuǎn)換，如圖所示。紅色波形表示原設(shè)計(jì);綠色波形表示修改后的設(shè)計(jì)。

另一種選擇是在電路板上而不是在芯片上進(jìn)行這種“數(shù)據(jù)使能”。以盡可能減小處理器時(shí)鐘周期。此概念是使用CPLD從處理器卸載簡單任務(wù)，以便使其更長時(shí)間地處于待機(jī)模式。

讓我們來看一個(gè)在狀態(tài)7和狀態(tài)8之間頻繁進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)。如果您為該狀態(tài)機(jī)選擇二進(jìn)制編碼，將意味著對(duì)于每次狀態(tài)7和狀態(tài)8之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，將有四位需要改變狀態(tài)，如表所示。如果狀態(tài)機(jī)采用格雷碼而不是二進(jìn)制碼來設(shè)計(jì)，則這兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移所需的邏輯轉(zhuǎn)換的數(shù)量將降至僅一位。另外，如果將狀態(tài)7和8分別編碼為0010和0011，也可以達(dá)到同樣的效果。

時(shí)鐘管理

在一個(gè)設(shè)計(jì)的所有吸收功耗的信號(hào)當(dāng)中，時(shí)鐘是罪魁禍?zhǔn)?。雖然一個(gè)時(shí)鐘可能運(yùn)行在100MHz，但從該時(shí)鐘派生出的信號(hào)卻通常運(yùn)行在主時(shí)鐘頻率的較小分量(通常為12%~15%)。此外，時(shí)鐘的扇出一般也比較高——這兩個(gè)因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究時(shí)鐘。

如果設(shè)計(jì)的某個(gè)部分可以處于非活動(dòng)狀態(tài)，則可以考慮使用一個(gè)BUFG-MUX來禁止時(shí)鐘樹翻轉(zhuǎn)，而不是使用時(shí)鐘使能。時(shí)鐘使能將阻止寄存器進(jìn)行不必要的翻轉(zhuǎn)，但時(shí)鐘樹仍然會(huì)翻轉(zhuǎn)，消耗功率。不過采用時(shí)鐘使能總比什么措施也沒有強(qiáng)。

隔離時(shí)鐘以使用最少數(shù)量的信號(hào)區(qū)。不使用的時(shí)鐘樹信號(hào)區(qū)不會(huì)翻轉(zhuǎn)，從而降低該時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。仔細(xì)布局可以在不影響實(shí)際設(shè)計(jì)的情況下達(dá)到此目標(biāo)。

對(duì)FPGA顯然也可以使用同一概念。雖然FPGA不一定擁有待機(jī)模式，但使用一個(gè)CPLD中途欄截總線數(shù)據(jù)并有選擇地將數(shù)據(jù)饋送到FPGA也可以省去不必要的輸入轉(zhuǎn)換。

CoolRunner-II CPLD包含一種稱為“數(shù)據(jù)門控”的功能，可以禁止引腳上的邏輯轉(zhuǎn)換到達(dá)CPLD的內(nèi)部邏輯。該數(shù)據(jù)門控使能可通過片上邏輯或引腳來控制。

狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)測的下一狀態(tài)條件列舉狀態(tài)機(jī)，并選擇常態(tài)之間轉(zhuǎn)換位較少的狀態(tài)值。這樣，您就能夠盡可能減少狀態(tài)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換量(頻率)。確定常態(tài)轉(zhuǎn)換和選擇適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)值，是降低功耗且對(duì)設(shè)計(jì)影響較小的一種簡單方法。編碼形式越簡單(一位有效編碼或格雷碼)，使用的解碼邏輯也會(huì)越少。

功耗估算工具

賽靈思提供了兩種形式的功耗估算工具：一種叫做Web Power Tools的設(shè)計(jì)前工具和一種叫做Xpower的設(shè)計(jì)后工具。Web Power Tools可通過www.Xilinx.com/cn/power 獲得，它提供了根據(jù)邏輯利用率大概估計(jì)做出的功耗估算。利用它，您可以僅憑設(shè)計(jì)利用率估計(jì)就能獲得功耗評(píng)估，而無需實(shí)際設(shè)計(jì)文件。

XPower是一種設(shè)計(jì)后工具，用于分析實(shí)際器件利用率，并結(jié)合實(shí)際的適配后(poST-fit)仿真數(shù)據(jù)(VCD文件格式)，給出實(shí)際功耗數(shù)據(jù)。利用Xpower，您可以在完全不接觸芯片的情況下分析設(shè)計(jì)改變對(duì)總功耗的影響。

基于Web的功耗工具

基于Web的功耗估計(jì)是在設(shè)計(jì)流程的早期獲得器件功耗情況的最快捷和最方便的方法。這些工具每個(gè)季度都會(huì)發(fā)布新版本，因此信息總是最新的，且不需要安裝或下載，只需要擁有互聯(lián)網(wǎng)連接和Web瀏覽器即可。您可以指定設(shè)計(jì)參數(shù)并保存和加載設(shè)計(jì)設(shè)置，免去了通過交互使用重新輸入設(shè)計(jì)參數(shù)的麻煩。只要有對(duì)設(shè)計(jì)行為的估計(jì)并選定目標(biāo)器件即可開始。

表：通過狀態(tài)編碼減少信號(hào)轉(zhuǎn)換

Xpower：集成的設(shè)計(jì)專用功耗分析

Xpower是所有Xilinx ISE設(shè)計(jì)工具的一個(gè)免費(fèi)組件，您可以利用它對(duì)您的基于設(shè)計(jì)的功耗需求進(jìn)行詳細(xì)得多的估計(jì)。XPower是在映射或布局和布線后設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)器件功耗進(jìn)行估計(jì)的。

對(duì)于成熟的投產(chǎn)的FPGA和CPLD，XPower計(jì)算出的功耗估計(jì)的平均設(shè)計(jì)批量誤差(suite error)小于10%。它將把器件數(shù)據(jù)與您的設(shè)計(jì)文件結(jié)合起來綜合考慮，并按照您的專門設(shè)計(jì)信息給出估計(jì)器件功耗的高精度報(bào)告。

XPower直接集成在ISE軟件中，可提供層次化的詳細(xì)的功耗顯示、詳細(xì)的總結(jié)報(bào)告和功耗向?qū)?，即使是新用戶也可輕易上手。XPower可接受仿真的設(shè)計(jì)活動(dòng)數(shù)據(jù)，并可以GUI模式和批處理模式運(yùn)行。

XPower將考慮設(shè)計(jì)中的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)和邏輯元素。ISE設(shè)計(jì)文件提供準(zhǔn)確的資源使用情況;XPower交叉參考布線信息以及特性化電容數(shù)據(jù)。于是物理資源針對(duì)電容進(jìn)行特性化。設(shè)計(jì)特性化將對(duì)新器件持續(xù)進(jìn)行，以給出最精確的結(jié)果。Xpower使用了網(wǎng)絡(luò)翻轉(zhuǎn)速率和輸出負(fù)載。然后XPower計(jì)算功耗和結(jié)溫，還可以顯示單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗數(shù)據(jù)。

結(jié)論

對(duì)更便宜和更簡單的熱管理以及與前沿FPGA不斷提高的功耗需求相匹配的電源的不斷增長的需求，將低功耗設(shè)計(jì)的概念提升到一個(gè)全新的高度。賽靈思最新器件Virtex-4 FPGA提供了90nm工藝技術(shù)的高性能，卻避免了預(yù)想中靜態(tài)功耗的顯著增大。使用賽靈思功耗估算工具并遵循低功耗設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)，滿足您的功耗目標(biāo)將比以往任何時(shí)候都更加容易。