降低FPGA功耗的設計技巧.doc

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1、降低FPGA功耗的設計技巧使用這些設計技巧和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?！　榱烁玫乩斫獗疚膶⒁懻摰脑O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?！　」陌瑑蓚€因素：動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動態(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

2、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溫和晶體管尺寸?！　『愣ü男枨蟀ㄒ蚪K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

3、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(guī)則，器件工藝技術尺寸越小，泄漏功耗越大。但并不是所有工藝技術都一樣。例如，對于90nm技術來說，Virtex-4器件與其他90nmFPGA技術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計影響更大——待機（靜止）功耗還是動態(tài)功耗?！　〕ㄓ们衅壿媶卧?，所有Xilinx器件都具有專門邏輯。其形式有塊RAM、18×18

4、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量?！　∵x擇適當的I/O標準也可以節(jié)省功耗。這些都是簡單的決定，如選擇最低的驅動強度或較低的電壓標準。當系統(tǒng)速度要求使用高功率I/O標準時，計劃一個缺省狀態(tài)以降低功耗。有的I/O標準（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。

5、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I/O節(jié)省功耗30mA。數據使能　　當總線上的數據與寄存器相關時，經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“數據使能”，以阻止數據總線與時鐘使能寄存器組合邏輯之間不必要的轉換，如圖1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行這種“數據使能”。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，以便使其更長時間地處于待機模式?！　∽?/p>

6、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)轉換，將有四位需要改變狀態(tài)，如表1所示。如果狀態(tài)機采用格雷碼而不是二進制碼來設計，則這兩個狀態(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。時鐘管理　　在一個設計的所有吸收功耗的信號當中，時鐘是罪魁禍首。雖然一個時鐘可能運行在100MHz，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

7、%~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，應當認真研究時鐘?！　∪绻O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，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，但時鐘樹仍然會翻轉，消耗功率。不過采用時鐘使能總比什么措施也沒有強?！　「綦x時鐘以使用最少數量的信號區(qū)。不使用的時鐘樹信號區(qū)不會翻轉，從而降低該時鐘網絡的負載。仔細布局可以在不影響實際設計的情況下達到此目標?！　PGA顯然也可以使用同一概念。雖然FPGA不一

8、定擁有待機模式，但使用一個CPLD中途欄截總線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?！　oolRunner-IICPLD包含一種稱為“數據門控”的功能，可以禁止引腳上的邏輯轉換到達CPLD的內部邏輯。該數據門控使能可通過片上邏輯或引腳來控制。狀態(tài)機設計　　根據預測的下一狀態(tài)條件列舉狀態(tài)機，并選擇常態(tài)之間轉換位較少的狀態(tài)值。這樣，您就能夠盡可能減少狀態(tài)機網絡的轉換量（頻率）。確定常態(tài)轉換和選擇適當的狀態(tài)值，是降低功耗