实现低功耗FPGA电子系统优化技巧与方法

本文首先与实测系统功耗进行对比，验证了Xilinx公司ISE软件包中FPGA功耗估算工具XPower的准确性。然后对FPGA设计中影响系统功耗的几个相互关联的参数进行取样，通过软件估算不同样点下的系统功耗，找到功耗最低的取样点，得到最佳设计参数，从而达到优化系统设计的目的。实验中通过这种方法，在一个FPGA读写SRAM的系统中，在单位时间读写操作数固定的条件下，选取了读写频率与读写时间占空比这两个参数来优化系统功耗。最终测试数据证明了该方法的正确性。

FPGA在各种电路设计中广泛应用，如何对FPGA系统进行低功耗优化成为一个重要的现实问题。从最早的FPGA功耗模型的建立[1]，到较完善的FPGA功耗估算模型[2]，再到现在功耗估算工具的出现[3]，FPGA设计时对功耗的预估已经越来越准确，节约功耗的方法也越来越多样。本文基于FPGA功耗的预估，提出将影响功耗的因素做为功耗函数的参数，根据参数取样并预估样点功耗找到功耗函数的最小值，从而得到最佳参数以优化系统设计并节约系统功耗的方法。设计了一个FPGA读写常用存储器SRAM的系统，选取了读写频率与读写时间占空比这两个参数来优化系统功耗，通过对比预估值与实测值证明了该方法的正确性。

1 FPGA功耗估算工具

1.1 XPower介绍

Xilinx公司的ISE Design Suite工具套件中提供了功耗仿真器XPower Analyzer，它可以对可编程逻辑器件的功耗进行分析[3]。功耗来源分静态功耗和动态功耗两部分[1]。静态功耗主要由晶体管的泄漏电流和FPGA偏置电流引起，它与工艺技术、晶体管特性、晶体管个数、采用的绝缘介质等因素有关，这些是由FPGA本身决定的，与电路活动无关。晶体管的泄漏电流主要由三部分组成：亚阈值漏电流、栅极漏电流和源漏极反偏漏电流，已经有文献对它们的值进行精确建模[4]。动态功耗是器件核心或I/O在开关状态切换中消耗的能量[1]。

其中Dynamic Power为动态功耗；C为电容量；V为工作电压；D为每个节点每秒翻转次数，f为系统时钟频率。

XPower给每个开关元件建立一个电容模型，根据输入文件中的信息和特定器件的电容、静态功耗等来估算FPGA的功耗。在输入文件中，设计文件NCD（native circuit description）提供FPGA布局布线信息；物理约束文件PCF（physical constraint file）提供了设计的时钟频率、工作电压等信息； 用户设置文件XML用于保存XPower的设置，在下次打开同一设计时不必重复这些设置；仿真输出文件VCD（Value Change Dump）提供了线网翻转率情况，它记录了仿真时的信号变化情况，可以使功耗估算更接近实际情况[3]。NCD文件 、PCF文件和XML文件都根据FPGA逻辑设计代码由ISE工具综合实现后生成，VCD文件由ModelSim进行时序仿真时生成。

XPower的主要输出文件为PWR文件，即功耗报告文件，它分为静态功耗和动态功耗两部分。从不同的逻辑设计的功耗报告文件可以看出，对同一款芯片，静态功耗值比较固定，FPGA的逻辑和工作频率对它影响较小；动态功耗与FPGA逻辑使用的资源，如I/O、DCM、DSP模块等相关，同时也与工作频率以及寄存器和线网翻转率相关。对静态功耗与动态功耗都有影响的因素是电压和环境温度。所有可以影响到动态功耗的参数设置得越接近实际情况，XPower估算结果就越精确。所以XPower的参数设置很重要，特别是决定线网翻转率的VCD文件，它记录的仿真情况需要真实准确。
FPGA设计流程如图1所示，可以看出其中XPower估算功耗环节的重要性，在功耗要求严格时，为了节约功耗常常需要修改设计文件。

1.2 XPower可靠性验证

为了测出FPGA工作时的实际功耗，设计了一个简单系统，直接用可调直流稳压电源对FPGA各电平供电。由于系统功耗较小，需要考虑供电电源线上的分压损耗，应在尽量靠近FPGA电源管脚处使用万用表测量电压，并尽可能将该电压调节到与设计中选用的供电标准一致(VCCO为3.3 V，VCCINT为1.2 V，VCCAUX为2.5 V)。
将配置文件下载到FPGA运行后，通过测量FPGA运行时的电流和电源电压得到FPGA实际功耗。在XPower中选择该配置文件相应的输入文件，并使生成VCD时序仿真文件的激励与实际外界激励一致，且设置XPower中温度、频率也与实测情况一致，可得FPGA在同样的工作条件下的仿真功耗。
该实验选用的FPGA为Xilinx Spartan 3e xc3s100eH，环境温度为25 ℃，驱动时钟频率为18.432 MHz。通过改变FPGA逻辑的驱动时钟数目、逻辑使用量、I/O数、信号数等，得到不同的FPGA逻辑配置文件。经过实际测量和XPower估算，分别得到这些配置文件下的功耗测量数据和估算数据。如图2所示，横坐标为FPGA配置参数，纵坐标为功耗值。从结果看出，测量值曲线很好地符合了估算值曲线。