本文首先與實(shí)測系統(tǒng)功耗進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了Xilinx公司ISE軟件包中FPGA功耗估算工具XPower的準(zhǔn)確性。然后對(duì)FPGA設(shè)計(jì)中影響系統(tǒng)功耗的幾個(gè)相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)進(jìn)行取樣，通過軟件估算不同樣點(diǎn)下的系統(tǒng)功耗，找到功耗最低的取樣點(diǎn)，得到最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。實(shí)驗(yàn)中通過這種方法，在一個(gè)FPGA讀寫SRAM的系統(tǒng)中，在單位時(shí)間讀寫操作數(shù)固定的條件下，選取了讀寫頻率與讀寫時(shí)間占空比這兩個(gè)參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)功耗。最終測試數(shù)據(jù)證明了該方法的正確性。

FPGA在各種電路設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，如何對(duì)FPGA系統(tǒng)進(jìn)行低功耗優(yōu)化成為一個(gè)重要的現(xiàn)實(shí)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(xiàn)在功耗估算工具的出現(xiàn)[3]，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)功耗的預(yù)估已經(jīng)越來越準(zhǔn)確，節(jié)約功耗的方法也越來越多樣。本文基于FPGA功耗的預(yù)估，提出將影響功耗的因素做為功耗函數(shù)的參數(shù)，根據(jù)參數(shù)取樣并預(yù)估樣點(diǎn)功耗找到功耗函數(shù)的最小值，從而得到最佳參數(shù)以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并節(jié)約系統(tǒng)功耗的方法。設(shè)計(jì)了一個(gè)FPGA讀寫常用存儲(chǔ)器SRAM的系統(tǒng)，選取了讀寫頻率與讀寫時(shí)間占空比這兩個(gè)參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)功耗，通過對(duì)比預(yù)估值與實(shí)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(duì)可編程邏輯器件的功耗進(jìn)行分析[3]。功耗來源分靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分[1]。靜態(tài)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(shù)、晶體管特性、晶體管個(gè)數(shù)、采用的絕緣介質(zhì)等因素有關(guān)，這些是由FPGA本身決定的，與電路活動(dòng)無關(guān)。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(jīng)有文獻(xiàn)對(duì)它們的值進(jìn)行精確建模[4]。動(dòng)態(tài)功耗是器件核心或I/O在開關(guān)狀態(tài)切換中消耗的能量[1]。

其中Dynamic Power為動(dòng)態(tài)功耗；C為電容量；V為工作電壓；D為每個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒翻轉(zhuǎn)次數(shù)，f為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

XPower給每個(gè)開關(guān)元件建立一個(gè)電容模型，根據(jù)輸入文件中的信息和特定器件的電容、靜態(tài)功耗等來估算FPGA的功耗。在輸入文件中，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的時(shí)鐘頻率、工作電壓等信息； 用戶設(shè)置文件XML用于保存XPower的設(shè)置，在下次打開同一設(shè)計(jì)時(shí)不必重復(fù)這些設(shè)置；仿真輸出文件VCD（Value Change Dump）提供了線網(wǎng)翻轉(zhuǎn)率情況，它記錄了仿真時(shí)的信號(hào)變化情況，可以使功耗估算更接近實(shí)際情況[3]。NCD文件 、PCF文件和XML文件都根據(jù)FPGA邏輯設(shè)計(jì)代碼由ISE工具綜合實(shí)現(xiàn)后生成，VCD文件由ModelSim進(jìn)行時(shí)序仿真時(shí)生成。

XPower的主要輸出文件為PWR文件，即功耗報(bào)告文件，它分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分。從不同的邏輯設(shè)計(jì)的功耗報(bào)告文件可以看出，對(duì)同一款芯片，靜態(tài)功耗值比較固定，F(xiàn)PGA的邏輯和工作頻率對(duì)它影響較小；動(dòng)態(tài)功耗與FPGA邏輯使用的資源，如I/O、DCM、DSP模塊等相關(guān)，同時(shí)也與工作頻率以及寄存器和線網(wǎng)翻轉(zhuǎn)率相關(guān)。對(duì)靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗都有影響的因素是電壓和環(huán)境溫度。所有可以影響到動(dòng)態(tài)功耗的參數(shù)設(shè)置得越接近實(shí)際情況，XPower估算結(jié)果就越精確。所以XPower的參數(shù)設(shè)置很重要，特別是決定線網(wǎng)翻轉(zhuǎn)率的VCD文件，它記錄的仿真情況需要真實(shí)準(zhǔn)確。
FPGA設(shè)計(jì)流程如圖1所示，可以看出其中XPower估算功耗環(huán)節(jié)的重要性，在功耗要求嚴(yán)格時(shí)，為了節(jié)約功耗常常需要修改設(shè)計(jì)文件。

1.2 XPower可靠性驗(yàn)證

為了測出FPGA工作時(shí)的實(shí)際功耗，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單系統(tǒng)，直接用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源對(duì)FPGA各電平供電。由于系統(tǒng)功耗較小，需要考慮供電電源線上的分壓損耗，應(yīng)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(diào)節(jié)到與設(shè)計(jì)中選用的供電標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行后，通過測量FPGA運(yùn)行時(shí)的電流和電源電壓得到FPGA實(shí)際功耗。在XPower中選擇該配置文件相應(yīng)的輸入文件，并使生成VCD時(shí)序仿真文件的激勵(lì)與實(shí)際外界激勵(lì)一致，且設(shè)置XPower中溫度、頻率也與實(shí)測情況一致，可得FPGA在同樣的工作條件下的仿真功耗。
該實(shí)驗(yàn)選用的FPGA為Xilinx Spartan 3e xc3s100eH，環(huán)境溫度為25 ℃，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為18.432 MHz。通過改變FPGA邏輯的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘數(shù)目、邏輯使用量、I/O數(shù)、信號(hào)數(shù)等，得到不同的FPGA邏輯配置文件。經(jīng)過實(shí)際測量和XPower估算，分別得到這些配置文件下的功耗測量數(shù)據(jù)和估算數(shù)據(jù)。如圖2所示，橫坐標(biāo)為FPGA配置參數(shù)，縱坐標(biāo)為功耗值。從結(jié)果看出，測量值曲線很好地符合了估算值曲線。