便攜式產(chǎn)品具有低功耗意識的FPGA設計方法

　　ILGOO系列低功耗FPGA產(chǎn)品

　　Actel公司的ILGOO系列器件是低功耗FPGA產(chǎn)品，是在便攜式產(chǎn)品設計中替代ASIC和CPLD的最佳方案。它在Flash*Freeze模式時(shí)的靜態(tài)功耗最低可達到2μW，電池壽命是采用主流PLD的產(chǎn)品的5倍以上。針對I/O需求數目更多的低功耗應用，Actel可以提供IGLOO PLUS系列，規模分別是3萬(wàn)、6萬(wàn)和12.5萬(wàn)門(mén)。和相同封裝的IGLOO器件相比，可以提供最多多出64%的I/O。其所有的器件都支持4個(gè)I/O Bank。在多電壓應用環(huán)境中比較有利，并且支持熱插拔和施密特觸發(fā)器。Actel在IGLOO系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對靜態(tài)功耗的主要物理來(lái)源——漏電流方面做了改進(jìn)。同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中對產(chǎn)率、速度以及可靠性做了嚴密的監控。

　　采用IGLOO器件的低功耗優(yōu)勢從哪些方面獲得呢？首先來(lái)自IGLOO器件本身對漏電流源頭的控制，以及器件所提供的各種節省功耗的特性的實(shí)現和各種最少功耗數據存儲技術(shù)的實(shí)現。除此之外，設計中采用一些低功耗技巧，也可以降低靜態(tài)功耗。

　　IGLOO具有功耗友好的器件架構，能提供靜態(tài)、睡眠、Flash*Freeze功耗模式，允許采用動(dòng)態(tài)電壓和頻率調節技術(shù)來(lái)降低系統整體實(shí)際功耗。提供可選擇的1.2V和1.5V的I/O和核電壓，以方便用戶(hù)平衡設計的性能和功耗之間的關(guān)系。IGLOO的時(shí)鐘結構可以沒(méi)有副作用的對全局信號和局部信號進(jìn)行門(mén)控制。另外IGLOO的RAM模塊具有LP和F*F端口來(lái)控制RAM本身的靜態(tài)功耗。

　　系統溫度及功耗概況

　　工業(yè)、汽車(chē)電子、軍事, 甚至商業(yè)類(lèi)客戶(hù)都會(huì )對系統的溫度和運行模式的概況有規定。這些概況指引我們在設計時(shí)要注意哪些地方以及精力該如何分配。IGLOO器件的低功耗工藝和硅片設計由Actel來(lái)保證，用戶(hù)所要關(guān)注的是：關(guān)心器件的選型、掌握所使用的FPGA的架構、掌握PCB的板級布局（主要是電容及I/O的走線(xiàn)）。

　　對于同一系列的器件來(lái)說(shuō)，器件的die越小，器件的功耗也會(huì )越小。也就是說(shuō)，在選用器件的時(shí)候，應該盡量選擇規模小的器件。選定器件后，可以在設計過(guò)程中，通過(guò)一些技巧盡可能的少占用資源，比如通過(guò)時(shí)分復用的方式少占用I/O，共享加法、乘法等算法邏輯，共享RAM等，同時(shí)也有必要了解所選用的FPGA的架構。

　　用戶(hù)需要在功耗和速度之間做平衡，在對速度性能要求不高的時(shí)候，盡量使用低的核電壓和低電壓的I/O接口標準。根據設計工作的實(shí)際狀況，在某些時(shí)候將當前不工作的資源關(guān)掉，比如通過(guò)控制SRAM的LP或BLK引腳，使其在不工作的時(shí)候可以被關(guān)斷，或者是通過(guò)Flash Freeze端口進(jìn)入Fresh Frezee模式以降低靜態(tài)功耗。在PLL不需要工作的時(shí)候，通過(guò)Power Down引腳將其關(guān)掉，不過(guò)需要注意的是，需要考慮重新開(kāi)啟以后，PLL的鎖定時(shí)間對系統是不是有影響。關(guān)掉沒(méi)有輸入總線(xiàn)的I/O Bank。

　　注意，不要濫用上拉/下拉電阻。在活動(dòng)模式下，如果總線(xiàn)被反向模式驅動(dòng)（如上拉的被“0”驅動(dòng)，或下拉的被“1”驅動(dòng)），那么每個(gè)I/O上的電流會(huì )增加。要預防被驅動(dòng)的總線(xiàn)進(jìn)入3態(tài)狀態(tài)。除非FPGA的工作時(shí)間確實(shí)短，否則建議跟板子設計者溝通以確保對輸入進(jìn)行持續的驅動(dòng)。

　　要降低設計的動(dòng)態(tài)功耗，首先要了解影響動(dòng)態(tài)功耗的因素。動(dòng)態(tài)功耗通常和電壓、信號翻轉頻率、容性負載正相關(guān)，設計所占用的邏輯資源越多、時(shí)鐘頻率越高、I/O和RAM越多，動(dòng)態(tài)功耗就越大。同時(shí)也需要分析設計的動(dòng)態(tài)功耗概況。

　　確定要降低的動(dòng)態(tài)功耗的目標，如果要降低的動(dòng)態(tài)功耗的目標是目前整個(gè)系統動(dòng)態(tài)功耗的20%，那么選用Actel的IGLOO器件或許就可以實(shí)現所要達到的目標。如果目標是80%，那么除了選用IGLOO器件外，還需要從系統和架構上去考慮。

　　針對不同的系統功耗的概況，梳理動(dòng)態(tài)功耗的重點(diǎn)，見(jiàn)圖1。針對Case1中動(dòng)態(tài)功耗的示意圖，我們可以看出其功耗主要分布在邏輯、存儲和時(shí)鐘方面，這樣我們的精力就不能放在如何降低I/O的功耗上去，而針對Case3這種情況，如果要降低動(dòng)態(tài)功耗，就必須要解決I/O上的功耗問(wèn)題。

圖1 不同系統的動(dòng)態(tài)功耗在線(xiàn)座談精華