低功耗FPGA電子系統優(yōu)化方法

　　其中Dynamic Power為動(dòng)態(tài)功耗；C為電容量；V為工作電壓；D為每個(gè)節點(diǎn)每秒翻轉次數，f為系統時(shí)鐘頻率。
　　XPower給每個(gè)開(kāi)關(guān)元件建立一個(gè)電容模型，根據輸入文件中的信息和特定器件的電容、靜態(tài)功耗等來(lái)估算FPGA的功耗。在輸入文件中，設計文件NCD（native circuit description）提供FPGA布局布線(xiàn)信息；物理約束文件PCF（physical constraint file）提供了設計的時(shí)鐘頻率、工作電壓等信息； 用戶(hù)設置文件XML用于保存XPower的設置，在下次打開(kāi)同一設計時(shí)不必重復這些設置；仿真輸出文件VCD（Value Change Dump）提供了線(xiàn)網(wǎng)翻轉率情況，它記錄了仿真時(shí)的信號變化情況，可以使功耗估算更接近實(shí)際情況[3]。NCD文件 、PCF文件和XML文件都根據FPGA邏輯設計代碼由ISE工具綜合實(shí)現后生成，VCD文件由ModelSim進(jìn)行時(shí)序仿真時(shí)生成。
　　XPower的主要輸出文件為PWR文件，即功耗報告文件，它分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分。從不同的邏輯設計的功耗報告文件可以看出，對同一款芯片，靜態(tài)功耗值比較固定，FPGA的邏輯和工作頻率對它影響較??；動(dòng)態(tài)功耗與FPGA邏輯使用的資源，如I/O、DCM、DSP模塊等相關(guān)，同時(shí)也與工作頻率以及寄存器和線(xiàn)網(wǎng)翻轉率相關(guān)。對靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗都有影響的因素是電壓和環(huán)境溫度。所有可以影響到動(dòng)態(tài)功耗的參數設置得越接近實(shí)際情況，XPower估算結果就越精確。所以XPower的參數設置很重要，特別是決定線(xiàn)網(wǎng)翻轉率的VCD文件，它記錄的仿真情況需要真實(shí)準確。
　　FPGA設計流程如圖1所示，可以看出其中XPower估算功耗環(huán)節的重要性，在功耗要求嚴格時(shí)，為了節約功耗常常需要修改設計文件。

1.2 XPower可靠性驗證
　　為了測出FPGA工作時(shí)的實(shí)際功耗，設計了一個(gè)簡(jiǎn)單系統，直接用可調直流穩壓電源對FPGA各電平供電。由于系統功耗較小，需要考慮供電電源線(xiàn)上的分壓損耗，應在盡量靠近FPGA電源管腳處使用萬(wàn)用表測量電壓，并盡可能將該電壓調節到與設計中選用的供電標準一致(VCCO為3.3 V，VCCINT為1.2 V，VCCAUX為2.5 V)。
　　將配置文件下載到FPGA運行后，通過(guò)測量FPGA運行時(shí)的電流和電源電壓得到FPGA實(shí)際功耗。在XPower中選擇該配置文件相應的輸入文件，并使生成VCD時(shí)序仿真文件的激勵與實(shí)際外界激勵一致，且設置XPower中溫度、頻率也與實(shí)測情況一致，可得FPGA在同樣的工作條件下的仿真功耗。
　　該實(shí)驗選用的FPGA為Xilinx Spartan 3e xc3s100eH，環(huán)境溫度為25 ℃，驅動(dòng)時(shí)鐘頻率為18.432 MHz。通過(guò)改變FPGA邏輯的驅動(dòng)時(shí)鐘數目、邏輯使用量、I/O數、信號數等，得到不同的FPGA邏輯配置文件。經(jīng)過(guò)實(shí)際測量和XPower估算，分別得到這些配置文件下的功耗測量數據和估算數據。如圖2所示，橫坐標為FPGA配置參數，縱坐標為功耗值。從結果看出，測量值曲線(xiàn)很好地符合了估算值曲線(xiàn)。