降低FPGA功耗的設計技巧和ISE功能分析工具

新一代FPGA的速度變得越來(lái)越快，密度變得越來(lái)越高，邏輯資源也越來(lái)越多。那么如何才能確保功耗不隨這些一起增加呢?很多設計抉擇可以影響系統的功耗，這些抉擇包括從顯見(jiàn)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計技巧為什么能夠節省功耗，我們先對功耗做一個(gè)簡(jiǎn)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)功耗是指對器件內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(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(méi)有多少措施可以采用來(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(shí)鐘上插入一個(gè)BUFGMUX則影響甚微。對功耗的考慮越早越好。

恰當的元件

并不是所有元件都具有相同的靜止功耗。根據普遍規則，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90nm技術(shù)來(lái)說(shuō)，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(zhù)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(zhù)更低的電壓和電容?？紤]好哪種功耗對你的設計影響更大——待機(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(zhuān)門(mén)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(zhuān)門(mén)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(shí)，請考慮專(zhuān)門(mén)邏輯的類(lèi)型和數量。

選擇適當的I/O標準也可以節省功耗。這些都是簡(jiǎn)單的決定，如選擇最低的驅動(dòng)強度或較低的電壓標準。當系統速度要求使用高功率I/O標準時(shí)，計劃一個(gè)缺省狀態(tài)以降低功耗。有的I/O標準(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，就可以節省通過(guò)該終接電阻的直流功耗。對于GTL+，將50Ω終接電阻的適當缺省狀態(tài)設置為1.5V，可使每個(gè)I/O節省功耗30mA。

數據使能

當總線(xiàn)上的數據與寄存器相關(guān)時(shí)，經(jīng)常使用片選或時(shí)鐘使能邏輯來(lái)控制寄存器的使能。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，盡早對該邏輯進(jìn)行“數據使能”，以阻止數據總線(xiàn)與時(shí)鐘使能寄存器組合邏輯之間不必要的轉換，如圖所示。紅色波形表示原設計;綠色波形表示修改后的設計。

另一種選擇是在電路板上而不是在芯片上進(jìn)行這種“數據使能”。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(jiǎn)單任務(wù)，以便使其更長(cháng)時(shí)間地處于待機模式。

讓我們來(lái)看一個(gè)在狀態(tài)7和狀態(tài)8之間頻繁進(jìn)行狀態(tài)轉換的狀態(tài)機。如果您為該狀態(tài)機選擇二進(jìn)制編碼，將意味著(zhù)對于每次狀態(tài)7和狀態(tài)8之間的狀態(tài)轉換，將有四位需要改變狀態(tài)，如表所示。如果狀態(tài)機采用格雷碼而不是二進(jìn)制碼來(lái)設計，則這兩個(gè)狀態(tài)之間的轉移所需的邏輯轉換的數量將降至僅一位。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(shí)鐘管理

在一個(gè)設計的所有吸收功耗的信號當中，時(shí)鐘是罪魁禍首。雖然一個(gè)時(shí)鐘可能運行在100MHz，但從該時(shí)鐘派生出的信號卻通常運行在主時(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，應當認真研究時(shí)鐘。

如果設計的某個(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(lái)禁止時(shí)鐘樹(shù)翻轉，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，但時(shí)鐘樹(shù)仍然會(huì )翻轉，消耗功率。不過(guò)采用時(shí)鐘使能總比什么措施也沒(méi)有強。

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

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(gè)CPLD中途欄截總線(xiàn)數據并有選擇地將數據饋送到FPGA也可以省去不必要的輸入轉換。

CoolRunner-II CPLD包含一種稱(chēng)為“數據門(mén)控”的功能，可以禁止引腳上的邏輯轉換到達CPLD的內部邏輯。該數據門(mén)控使能可通過(guò)片上邏輯或引腳來(lái)控制。