降低FPGA功耗的設(shè)計(jì)技巧

1、降低fpga功耗的設(shè)計(jì)技巧新一代 的速度變得越來(lái)越快，密度變得越來(lái)越高，規(guī)律資源也越來(lái)越多。那么如何才干確保功耗不隨這些一起增強(qiáng)呢？無(wú)數(shù)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(jiàn)的器件挑選到細(xì)小的基于用法頻率的狀態(tài)機(jī)值的挑選等。為了更好地理解本文將要研究的設(shè)計(jì)技巧為什么能夠節(jié)約功耗，我們先對(duì)功耗做一個(gè)容易介紹。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、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 = 電壓2頻率靜態(tài)功耗是指由器件中全部晶體管的泄漏（源極到漏極以及柵極泄漏，經(jīng)常集中為靜止電流）引起的功耗，以及

2、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)溫柔晶體管尺寸。恒定功耗需求包括因終接（如上拉）而造成的電流泄漏。沒(méi)有多少措施可以采納來(lái)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打算影響最大。打算采納什么元件對(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⒉皇侨吭季哂邢嗤撵o止功耗。按照普遍規(guī)章，器件工藝技術(shù)尺寸越小，泄漏功耗越大。但并不是全部工藝技術(shù)都一樣。例如，對(duì)于 90 nm 技術(shù)來(lái)說(shuō)，virtex-4 器件與其他 90 nm 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

3、藝技術(shù)縮小而增強(qiáng)的同時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗卻隨之減小，這是因?yàn)檩^小的工藝有著更低的電壓和電容?？紤]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。除通用切片規(guī)律單元外，全部器件都具有特地規(guī)律。其形式有塊 ram、1818 乘法器、48 塊、srl16s，以及其他規(guī)律。這不僅在于特地規(guī)律具有更高的性能，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)考慮特地規(guī)律的類(lèi)型和數(shù)量。挑選適當(dāng)?shù)?i/o 標(biāo)準(zhǔn)也可以節(jié)約功耗。這些都是容易的打算，如挑選最低的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度或較低的電壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)速度要求用法高功率 i/o 標(biāo)及時(shí)，方案一個(gè)缺省狀態(tài)以降低功耗。有的 i/o 標(biāo)準(zhǔn)

4、（如 gtl/+）需要用法一個(gè)上拉電阻才干正常工作。因此假如該 i/o 的缺省狀態(tài)為高電平而不是低電平，就可以節(jié)約通過(guò)該終接電阻的直流功耗。對(duì)于 gtl+，將50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)約功耗 30 ma。數(shù)據(jù)使能當(dāng)上的數(shù)據(jù)與寄存器相關(guān)時(shí)，常常用法片選或時(shí)鐘使能規(guī)律來(lái)控制寄存器的使能。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，盡早對(duì)該規(guī)律舉行“數(shù)據(jù)使能”，以阻擋數(shù)據(jù)總線與時(shí)鐘使能寄存器組合規(guī)律之間不須要的轉(zhuǎn)換， 1 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)。另一種挑選是在板上而不是在芯片上舉行這種“數(shù)據(jù)使能”。以盡可能減小處理器時(shí)鐘周期。此概念是用法 從處理器卸載容易任務(wù)，以便

5、使其更長(zhǎng)時(shí)光地處于待機(jī)模式。讓我們來(lái)看一個(gè)在狀態(tài) 7 和狀態(tài) 8 之間頻繁舉行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)。假如您為該狀態(tài)機(jī)挑選二進(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，將有四位需要轉(zhuǎn)變狀態(tài)，如表 1 所示。假如狀態(tài)機(jī)采納格雷碼而不是二進(jìn)制碼來(lái)設(shè)計(jì)，則這兩個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移所需的規(guī)律轉(zhuǎn)換的數(shù)量將降至僅一位。另外，假如將狀態(tài) 7 和 8 分離編碼為 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)的全部汲取功耗的信號(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 100 mhz，但從該時(shí)鐘派生出的信號(hào)卻通常運(yùn)行在主時(shí)鐘頻率的較小重量（通常為 12% 15%）。此外，時(shí)鐘的

6、扇出普通也比較高這兩個(gè)因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)該仔細(xì)討論時(shí)鐘。假如設(shè)計(jì)的某個(gè)部分可以處于非活動(dòng)狀態(tài)，則可以考慮用法一個(gè) bufg-mux 來(lái)禁止時(shí)鐘樹(shù)翻轉(zhuǎn)，而不是用法時(shí)鐘使能。時(shí)鐘使能將阻擋寄存器舉行不須要的翻轉(zhuǎn)，但時(shí)鐘樹(shù)仍然會(huì)翻轉(zhuǎn)，消耗功率。不過(guò)采納時(shí)鐘使能總比什么措施也沒(méi)有強(qiáng)。隔離時(shí)鐘以用法最少數(shù)量的信號(hào)區(qū)。不用法的時(shí)鐘樹(shù)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。認(rèn)真布局可以在不影響實(shí)際設(shè)計(jì)的狀況下達(dá)到此目標(biāo)。對(duì) fpga 明顯也可以用法同一概念。雖然 fpga 不一定擁有待機(jī)模式，但用法一個(gè) cpld 中途欄截總線數(shù)據(jù)并有挑選地將數(shù)據(jù)饋送到 fpga 也可以省去不須要的輸入轉(zhuǎn)換。coo

7、lrunner-ii cpld 包含一種稱(chēng)為“數(shù)據(jù)門(mén)控”的功能，可以禁止引腳上的規(guī)律轉(zhuǎn)換到達(dá) cpld 的內(nèi)部規(guī)律。該數(shù)據(jù)門(mén)控使能可通過(guò)片上規(guī)律或引腳來(lái)控制。狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)按照預(yù)測(cè)的下一狀態(tài)條件列舉狀態(tài)機(jī)，并挑選常態(tài)之間轉(zhuǎn)換位較少的狀態(tài)值。這樣，您就能夠盡可能削減狀態(tài)機(jī)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換量（頻率）。確定常態(tài)轉(zhuǎn)換和挑選適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)值，是降低功耗且對(duì)設(shè)計(jì)影響較小的一種容易辦法。編碼形式越容易（一位有效編碼或格雷碼），用法的解碼規(guī)律也會(huì)越少。功耗估算工具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(guò)

8、 獲得，它提供了按照規(guī)律利用率也許估量做出的功耗估算。利用它，您可以?xún)H憑設(shè)計(jì)利用率估量就能獲得功耗評(píng)估，而無(wú)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) 數(shù)據(jù)（vcd 文件格式），給出實(shí)際功耗數(shù)據(jù)。利用 xpower，您可以在徹低不接觸芯片的狀況下分析設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變對(duì)總功耗的影響。基于 web 的功耗工具基于 web 的功耗估量是在設(shè)計(jì)流程的早期獲得器件功耗狀況的最快捷和最便利的辦法。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)銜接和 web 掃瞄器即可。您可以指定設(shè)計(jì)參數(shù)并保存和加載設(shè)計(jì)

9、設(shè)置，免去了通過(guò)交互用法重新輸入設(shè)計(jì)參數(shù)的棘手。只要有對(duì)設(shè)計(jì)行為的估量并選定目標(biāo)器件即可開(kāi)頭。xpower：集成的設(shè)計(jì)專(zhuān)用功耗分析xpower 是全部 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)的功耗需求舉行具體得多的估量。xpower 是在映射或布局和布線后設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)器件功耗舉行估量的。對(duì)于成熟的投產(chǎn)的 fpga 和 cpld，xpower 計(jì)算出的功耗估量的平均設(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(lái)綜合考慮，并根據(jù)您的特地設(shè)計(jì)信息給出估量器件功耗的高精度報(bào)告。xpower挺直集成在 ise 軟件中，可提供層次化的具體的功耗顯示、具體的總結(jié)報(bào)告和功耗向?qū)В词故切掠脩?hù)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)和規(guī)律元素。ise 設(shè)計(jì)文件提供精確的資源用法狀況；xpower 交錯(cuò)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)電容舉行特性化。設(shè)計(jì)特性化將對(duì)新器件持續(xù)舉行，以給出最精確的結(jié)果。xpower 用法了網(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)更廉價(jià)和更容易的熱管理以及與前沿 fpga 不斷提