FPGA與眾多其它類型組件的不同之處在于，其核心電壓、輔助電壓和I/O電壓電源需求取決于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。因此，確定應(yīng)用中FPGA的功耗比數(shù)據(jù)手冊描述的情況更復(fù)雜一點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)正確的電源架構(gòu)因此也具有一定的挑戰(zhàn)性。這不僅要考慮到所需的靜態(tài)電流、斜坡率和上電順排序，還需要能為終端應(yīng)用適當(dāng)供電，同時(shí)保持器件結(jié)溫在可接受的范圍內(nèi)。

XPE和XPA是什么？這是賽靈思推出的兩款設(shè)計(jì)工具，能幫助您準(zhǔn)確地進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)的功耗分析。您可在設(shè)計(jì)早期階段使用基于電子數(shù)據(jù)表的賽靈思功耗估計(jì)器（XPE），在完成實(shí)現(xiàn)后再使用賽靈思功耗分析器（XPA）。XPA能幫助您對設(shè)計(jì)的功耗要求做進(jìn)一步的分析，并根據(jù)需要協(xié)助功耗優(yōu)化。

初始步驟

首先啟動(dòng)開發(fā)項(xiàng)目時(shí)，很難有整個(gè)FPGA設(shè)計(jì)都到位的情況（如果幸運(yùn)的話，或許能重復(fù)利用一些代碼，這能為功耗預(yù)測提供更多準(zhǔn)確信息）。因此，進(jìn)行估算功耗首先可以從XPE電子數(shù)據(jù)表入手（參見： ucts/design_tools/logic_design/xpe.htm ）。您可以根據(jù)工程團(tuán)隊(duì)對設(shè)計(jì)所需時(shí)鐘、邏輯和其它資源量的初步考慮來進(jìn)行最初功耗估算。

XPE的使用非常直觀，更好的是，該工具能幫助您進(jìn)行大量“假設(shè)”實(shí)現(xiàn)，從而明確不同設(shè)計(jì)方案選擇對功耗估算的影響。如果您的解決方案耗電高，那么這種功能對幫助您找到最佳實(shí)現(xiàn)方案發(fā)揮著重要作用。

XPE能根據(jù)散熱、氣流和印制電路板層數(shù)預(yù)測器件結(jié)溫，這一功能在設(shè)計(jì)早期階段非常有用。它能告訴我們設(shè)計(jì)能否達(dá)到預(yù)期實(shí)現(xiàn)方案的額定結(jié)溫。

在XPE中，您的第一步工作就是盡可能準(zhǔn)確地完成設(shè)置。除了選擇器件之外，還要特別注意封裝、速度等級和溫度等級都要正確設(shè)置，同樣如果適用的話還要準(zhǔn)確設(shè)置步進(jìn)、工藝和功耗模式。所有這些參數(shù)，對所需的整體功耗有很大影響，尤其是工藝的設(shè)置，其設(shè)置分為“最大值”和“典型值”。典型值設(shè)置為您提供統(tǒng)計(jì)上應(yīng)用所需的功耗，而最大值設(shè)置則能滿足最差情況下的需求。要確保您的解決方案能應(yīng)對最高用電需求情況，但這也有一定困難，因?yàn)檩^大型器件也有著更高的電流需求。

我們也可在此定義工作環(huán)境，包括環(huán)境溫度、散熱和氣流等。在此定義最大環(huán)境溫度能提高估算準(zhǔn)確度，因?yàn)樗璧墓臅?huì)隨著器件結(jié)溫的提升而升高。包括散熱、氣流或者這兩者等，就能改進(jìn)功耗估算。

在此階段也不要忽略賽靈思ISE?優(yōu)化設(shè)置。這種設(shè)置對功耗估算也有影響，因?yàn)椴煌膬?yōu)化方案（比方說時(shí)序性能與面積最小化方案）都會(huì)帶來不同的實(shí)現(xiàn)方案，每種實(shí)現(xiàn)方案都有自己的資源使用和扇出模式，也會(huì)影響功耗估算。

估算工作的下一階段就是仔細(xì)檢查XPE電子數(shù)據(jù)表底部的標(biāo)簽，盡可能準(zhǔn)確地填寫所建議的解決方案的細(xì)節(jié)。為了確保早期獲得最準(zhǔn)確的估算，至少應(yīng)定義資源使用、時(shí)鐘頻率、觸發(fā)率和啟用率，這非常重要。同時(shí)也應(yīng)做好一定應(yīng)急準(zhǔn)備，應(yīng)對始終存在的要求變化問題。

這一進(jìn)程完成后，XPE能在總結(jié)標(biāo)簽中提供整體功耗和結(jié)溫估算，如圖1所示。

估算完成后，您可根據(jù)需要，在總結(jié)頁面上選擇“導(dǎo)出文件”選項(xiàng)，將設(shè)置從XPE導(dǎo)出，以隨后用于賽靈思功耗分析器（XPA）中。這能確保XPA的設(shè)置與您最初用于估算的相匹配。

隨著開發(fā)工作向RTL制造、跟蹤綜合和布局布線推進(jìn)，我們根據(jù)提供的更準(zhǔn)確的信息，隨時(shí)更新估算結(jié)果。要記住，硬件團(tuán)隊(duì)，尤其是負(fù)責(zé)電源設(shè)計(jì)的團(tuán)隊(duì)，應(yīng)了解估算的任何變動(dòng)。電源工程師應(yīng)提供電源軌最糟糕情況下的最大電壓，這能進(jìn)一步提高估算精度。最差情況下最大電源電壓升高，也會(huì)讓功耗估算變大。

XPE非常智能，能在最差情況下最大電源電壓超出器件可接受容限時(shí)將電子數(shù)據(jù)表上的電壓單元標(biāo)為橙色并發(fā)出警告，如圖2所示。

進(jìn)入XPA

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，我們能用賽靈思功耗分析器從功耗圖片上獲得精確得多的功耗估算。結(jié)果到底有多精確，這取決于您對工具的輸入。您可點(diǎn)擊ISE設(shè)計(jì)套件進(jìn)程窗口中布局布線項(xiàng)下的Analyze Power Distribution打開XPA（見圖3）。

一旦XPA打開，您又會(huì)看到類似于XPE的總結(jié)屏幕（圖4）。您在此可定義環(huán)境并創(chuàng)建更多設(shè)置，也可從您的XPE分析中導(dǎo)入設(shè)置。

要包括.xpa文件或打開新項(xiàng)目，您應(yīng)采用以下流程，其中包括：

? 本地電路設(shè)計(jì)（NCD）文件：定義物理FPGA實(shí)現(xiàn)方案。

? 設(shè)置文件： 定義從XPE導(dǎo)入的設(shè)置。

? 物理約束文件（PCF） ： 包含時(shí)鐘信息和映射以及UCF限制。

? 數(shù)值變更轉(zhuǎn)儲(chǔ)（VCD）或開關(guān)行為互換文件（SAIF）仿真文件，可用仿真工具生成，使得XPA能獲得設(shè)計(jì)開關(guān)信息 。

自然，您直接包含的信息越多，功耗估算就越準(zhǔn)確。XPA能提供估算可信度，這很有幫助，可信度分為低中高三級，并分為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)、時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)活動(dòng)、I/O節(jié)點(diǎn)活動(dòng)、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)活動(dòng)和器件模型五大類。

這些不同的可信度可得出估算的整體可信度。XPA還能就如何提高各個(gè)不同類別的可信度提出建議，這也相當(dāng)有用，從而有助于提升整體可信度（圖5）。

為了獲得功耗估算最高的可信度，您應(yīng)該從門級仿真獲得VCD或SAIF文件。這樣，XPA就能了解內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的行為，從而提供更精確的估算。

從仿真獲得VCD非常直觀，不過根據(jù)您使用的工具（Mentor Graphics的ModelSim、賽靈思的ISim等）不同，所需的命令格式可能略有不同。如果您正在使用ModelSim工具，那么您就可用以下語法創(chuàng)建簡單的VCD文件：

vcd file myvcd.vcd

—define the file name and location if desired

vcd add /memory_if_tb/ uut_apply/*

—the region of the design that is to be recorded

退出仿真時(shí)，結(jié)果將會(huì)保存在VCD文件中，您可在XPA中使用這個(gè)文件。如果您使用的是ISim工具，那么格式會(huì)略有不同：

vcd dumpfile myvcd.vcd —define the file name and location if desired

vcd dumpvars -m /memory_if_tb/uut_apply

—the region of the design that is to be recorded

Run Simulation

vcd dumpflush

—save results to the vcd file created

仿真工具中還有許多更高級的命令，您可用來生成VCD。在工具文檔中有詳細(xì)介紹。

由于包括了VCD文件，您的功耗估算可信度會(huì)有所提高。如果您不能提供仿真結(jié)果（有的運(yùn)行需要很長時(shí)間），那么XPA會(huì)用其內(nèi)置的分析引擎運(yùn)行。在此情況下要做到準(zhǔn)確，就應(yīng)再次指定翻轉(zhuǎn)率和啟用率。

與XPE中一樣，XPA中也應(yīng)包括最差情況下的最大電源電壓，這非常重要。我們也可將XPA設(shè)計(jì)導(dǎo)回XPE，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)嘗試進(jìn)行更多試驗(yàn)性修改，從而明確這些改動(dòng)對功耗和結(jié)溫估算所產(chǎn)生的影響。

可信度還不夠高該怎么辦？

假設(shè)包括了仿真并提供有其它信息，那么您應(yīng)該就能實(shí)現(xiàn)較高可信度的功耗估算和結(jié)溫預(yù)測。在理想情況下，應(yīng)用應(yīng)該可以接受這種可信度。不過，如果實(shí)際情況下您還無法實(shí)現(xiàn)這樣的可信度，工程師還有什么其他辦法確保設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功耗預(yù)算目標(biāo)或所需的結(jié)溫呢？

為了實(shí)現(xiàn)所需的結(jié)果，我們可對以下設(shè)計(jì)的三處地方進(jìn)行修改：源、實(shí)現(xiàn)和（就結(jié)溫而言）物理模塊設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)源中，您可采取以下步驟：

1. 刪除任何異步復(fù)位。

2. 在較大組合函數(shù)之間包括流水線級。

3. 確保通過推理或?qū)嵗谄骷胁捎脤Ｓ玫馁Y源。

綜合和布局布線階段的選項(xiàng)包括：

1. 針對面積最小化或功耗降低設(shè)定優(yōu)化方案。

2. 檢查設(shè)計(jì)約束，確保不過度約束器件。

3. 限制高扇出路徑的扇出。

4. 只要有可能，狀態(tài)機(jī)等就應(yīng)采用RAM。

5. 確保啟用重新定時(shí)。

希望通過以上步驟，功耗估算和結(jié)溫預(yù)測都能得到改進(jìn)。不過，如果以上還不行而且確實(shí)必要，您也可通過散熱或強(qiáng)制氣流來降低結(jié)溫，只是這么做會(huì)影響項(xiàng)目的機(jī)械設(shè)計(jì)。

準(zhǔn)確的估算

您可用賽靈思功耗估計(jì)器和賽靈思功耗分析器獲得準(zhǔn)確的FPGA設(shè)計(jì)功耗估算，這兩款工具可共享有關(guān)信息。功耗估算的準(zhǔn)確度取決于仿真和工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

您也應(yīng)提供足夠的應(yīng)急方案來應(yīng)對要求的變化，確保解決方案能應(yīng)對電流功耗和電源電壓斜率的要求。