實現低功耗FPGA電子系統優化技巧與方法

本文首先與實測系統功耗進行對比，驗證了Xilinx公司ISE軟件包中FPGA功耗估算工具XPower的準確性。然后對FPGA設計中影響系統功耗的幾個相互關聯的參數進行取樣，通過軟件估算不同樣點下的系統功耗，找到功耗最低的取樣點，得到最佳設計參數，從而達到優化系統設計的目的。實驗中通過這種方法，在一個FPGA讀寫SRAM的系統中，在單位時間讀寫操作數固定的條件下，選取了讀寫頻率與讀寫時間占空比這兩個參數來優化系統功耗。最終測試數據證明了該方法的正確性。

FPGA在各種電路設計中廣泛應用，如何對FPGA系統進行低功耗優化成為一個重要的現實問題。從最早的FPGA功耗模型的建立[1]，到較完善的FPGA功耗估算模型[2]，再到現在功耗估算工具的出現[3]，FPGA設計時對功耗的預估已經越來越準確，節約功耗的方法也越來越多樣。本文基于FPGA功耗的預估，提出將影響功耗的因素做為功耗函數的參數，根據參數取樣并預估樣點功耗找到功耗函數的最小值，從而得到最佳參數以優化系統設計并節約系統功耗的方法。設計了一個FPGA讀寫常用存儲器SRAM的系統，選取了讀寫頻率與讀寫時間占空比這兩個參數來優化系統功耗，通過對比預估值與實測值證明了該方法的正確性。

1 FPGA功耗估算工具

1.1 XPower介紹

Xilinx公司的ISE Design Suite工具套件中提供了功耗仿真器XPower Analyzer，它可以對可編程邏輯器件的功耗進行分析[3]。功耗來源分靜態功耗和動態功耗兩部分[1]。靜態功耗主要由晶體管的泄漏電流和FPGA偏置電流引起，它與工藝技術、晶體管特性、晶體管個數、采用的絕緣介質等因素有關，這些是由FPGA本身決定的，與電路活動無關。晶體管的泄漏電流主要由三部分組成：亞閾值漏電流、柵極漏電流和源漏極反偏漏電流，已經有文獻對它們的值進行精確建模[4]。動態功耗是器件核心或I/O在開關狀態切換中消耗的能量[1]。

其中Dynamic Power為動態功耗；C為電容量；V為工作電壓；D為每個節點每秒翻轉次數，f為系統時鐘頻率。

XPower給每個開關元件建立一個電容模型，根據輸入文件中的信息和特定器件的電容、靜態功耗等來估算FPGA的功耗。在輸入文件中，設計文件NCD（native circuit description）提供FPGA布局布線信息；物理約束文件PCF（physical constraint file）提供了設計的時鐘頻率、工作電壓等信息； 用戶設置文件XML用于保存XPower的設置，在下次打開同一設計時不必重復這些設置；仿真輸出文件VCD（Value Change Dump）提供了線網翻轉率情況，它記錄了仿真時的信號變化情況，可以使功耗估算更接近實際情況[3]。NCD文件 、PCF文件和XML文件都根據FPGA邏輯設計代碼由ISE工具綜合實現后生成，VCD文件由ModelSim進行時序仿真時生成。

XPower的主要輸出文件為PWR文件，即功耗報告文件，它分為靜態功耗和動態功耗兩部分。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，靜態功耗值比較固定，FPGA的邏輯和工作頻率對它影響較??；動態功耗與FPGA邏輯使用的資源，如I/O、DCM、DSP模塊等相關，同時也與工作頻率以及寄存器和線網翻轉率相關。對靜態功耗與動態功耗都有影響的因素是電壓和環境溫度。所有可以影響到動態功耗的參數設置得越接近實際情況，XPower估算結果就越精確。所以XPower的參數設置很重要，特別是決定線網翻轉率的VCD文件，它記錄的仿真情況需要真實準確。
FPGA設計流程如圖1所示，可以看出其中XPower估算功耗環節的重要性，在功耗要求嚴格時，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工作時的實際功耗，設計了一個簡單系統，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上的分壓損耗，應在盡量靠近FPGA電源管腳處使用萬用表測量電壓，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，通過測量FPGA運行時的電流和電源電壓得到FPGA實際功耗。在XPower中選擇該配置文件相應的輸入文件，并使生成VCD時序仿真文件的激勵與實際外界激勵一致，且設置XPower中溫度、頻率也與實測情況一致，可得FPGA在同樣的工作條件下的仿真功耗。
該實驗選用的FPGA為Xilinx Spartan 3e xc3s100eH，環境溫度為25 ℃，驅動時鐘頻率為18.432 MHz。通過改變FPGA邏輯的驅動時鐘數目、邏輯使用量、I/O數、信號數等，得到不同的FPGA邏輯配置文件。經過實際測量和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，測量值曲線很好地符合了估算值曲線。