淺談降低功耗的設(shè)計技巧

使用這些設(shè)計技巧和ISE功能分析工具來控制功耗

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小的基于使用頻率的狀態(tài)機值的選擇等。

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

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

動態(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功耗具有重大意義，而在時鐘上插入一個

BUFGMUX 則影響甚微。對功耗的考慮越早越好。

恰當(dāng)?shù)脑?/strong>

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，對于 90 nm 技術(shù)來說，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，在靜止功耗隨工藝技術(shù)縮小而增加的同時，動態(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?？紤]好哪種功耗對你的設(shè)計影響更大——待機（靜止）功耗還是動態(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，因而對于相同的操作可以消耗較少的功率。評估您的器件選項時，請考慮專門邏輯的類型和數(shù)量。

選擇適當(dāng)?shù)?I/O 標(biāo)準也可以節(jié)省功耗。這些都是簡單的決定，如選擇最低的驅(qū)動強度或較低的電壓標(biāo)準。當(dāng)系統(tǒng)速度要求使用高功率 I/O 標(biāo)準時，計劃一個缺省狀態(tài)以降低功耗。有的 I/O 標(biāo)準（如 GTL/+）需要使用一個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 I/O 節(jié)省功耗 30 mA。

數(shù)據(jù)使能

當(dāng)總線上的數(shù)據(jù)與寄存器相關(guān)時，經(jīng)常使用片選或時鐘使能邏輯來控制寄存器的使能。進一步來說，盡早對該邏輯進行“數(shù)據(jù)使能”，以阻止數(shù)據(jù)總線與時鐘使能寄存器組合邏輯之間不必要的轉(zhuǎn)換，紅色波形表示原設(shè)計；綠色波形表示修改后的設(shè)計。
　
另一種選擇是在電路板上而不是在芯片上進行這種“數(shù)據(jù)使能”。以盡可能減小處理器時鐘周期。此概念是使用 CPLD 從處理器卸載簡單任務(wù)，以便使其更長時間地處于待機模式。

讓我們來看一個在狀態(tài) 7 和狀態(tài) 8 之間頻繁進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機。如果您為該狀態(tài)機選擇二進制編碼，將意味著對于每次狀態(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)，如果狀態(tài)機采用格雷碼而不是二進制碼來設(shè)計，則這兩個狀態(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，也可以達到同樣的效果。

時鐘管理

在一個設(shè)計的所有吸收功耗的信號當(dāng)中，時鐘是罪魁禍首。雖然一個時鐘可能運行在 100 MHz，但從該時鐘派生出的信號卻通常運行在主時鐘頻率的較小分量（通常為 12% ~ 15%）。此外，時鐘的扇出一般也比較高——這兩個因素顯示，為了降低功耗，應(yīng)當(dāng)認真研究時鐘。

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

隔離時鐘以使用最少數(shù)量的信號區(qū)。不使用的時鐘樹信號區(qū)不會翻轉(zhuǎn)，從而降低該時鐘網(wǎng)絡(luò)的負載。仔細布局可以在不影響實際設(shè)計的情況下達到此目標(biāo)。

對 FPGA 顯然也可以使用同一概念。雖然 FPGA 不一定擁有待機模式，但使用一個 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 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)機設(shè)計

根據(jù)預(yù)測的下一狀態(tài)條件列舉狀態(tài)機，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，是降低功耗且對設(shè)計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)計前工具和一種叫做 Xpower 的設(shè)計后工具。Web Power Tools 提供了根據(jù)邏輯利用率大概估計做出的功耗估算。利用它，您可以僅憑設(shè)計利用率估計就能獲得功耗評估，而無需實際設(shè)計文件。

XPower 是一種設(shè)計后工具，用于分析實際器件利用率，并結(jié)合實際的適配后 （post-fit） 仿真數(shù)據(jù)（VCD 文件格式），給出實際功耗數(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)計改變對總功耗的影響。

基于 Web 的功耗工具

基于 Web 的功耗估計是在設(shè)計流程的早期獲得器件功耗情況的最快捷和最方便的方法。這些工具每個季度都會發(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)計參數(shù)并保存和加載設(shè)計設(shè)置，免去了通過交互使用重新輸入設(shè)計參數(shù)的麻煩。只要有對設(shè)計行為的估計并選定目標(biāo)器件即可開始。

Xpower：集成的設(shè)計專用功耗分析

Xpower 是所有 Xilinx ISE設(shè)計工具的一個免費組件，您可以利用它對您的基于設(shè)計的功耗需求進行詳細得多的估計。XPower 是在映射或布局和布線后設(shè)計的基礎(chǔ)上對器件功耗進行估計的。

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

XPower直接集成在 ISE 軟件中，可提供層次化的詳細的功耗顯示、詳細的總結(jié)報告和功耗向?qū)В词故切掠脩粢部奢p易上手。XPower 可接受仿真的設(shè)計活動數(shù)據(jù)，并可以 GUI 模式和批處理模式運行。

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

結(jié)論

對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)計的概念提升到一個全新的高度。賽靈思最新器件 Virtex-4 FPGA 提供了 90 nm 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)計考慮事項，滿足您的功耗目標(biāo)將比以往任何時候都更加容易。