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标题: 具有低功耗意识的FPGA设计方法 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2013-10-25 21:30 标题: 具有低功耗意识的FPGA设计方法

关键字：低功耗 FPGA ILGOO
　　ILGOO系列低功耗FPGA产品

　　Actel公司的ILGOO系列器件是低功耗FPGA产品，是在便携式产品设计中替代ASIC和CPLD的最佳方案。它在Flash*Freeze模式时的静态功耗最低可达到2μW，电池寿命是采用主流PLD的产品的5倍以上。针对I/O需求数目更多的低功耗应用，Actel可以提供IGLOO PLUS系列，规模分别是3万、6万和12.5万门。和相同封装的IGLOO器件相比，可以提供最多多出64%的I/O。其所有的器件都支持4个I/O Bank。在多电压应用环境中比较有利，并且支持热插拔和施密特触发器。Actel在IGLOO系列产品的开发过程中，对静态功耗的主要物理来源——漏电流方面做了改进。同时在生产过程中对产率、速度以及可靠性做了严密的监控。

　　采用IGLOO器件的低功耗优势从哪些方面获得呢？首先来自IGLOO器件本身对漏电流源头的控制，以及器件所提供的各种节省功耗的特性的实现和各种最少功耗数据存储技术的实现。除此之外，设计中采用一些低功耗技巧，也可以降低静态功耗。

　　IGLOO具有功耗友好的器件架构，能提供静态、睡眠、Flash*Freeze功耗模式，允许采用动态电压和频率调节技术来降低系统整体实际功耗。提供可选择的1.2V和1.5V的I/O和核电压，以方便用户平衡设计的性能和功耗之间的关系。IGLOO的时钟结构可以没有副作用的对全局信号和局部信号进行门控制。另外IGLOO的RAM模块具有LP和F*F端口来控制RAM本身的静态功耗。

　　系统温度及功耗概况

　　工业、汽车电子、军事, 甚至商业类客户都会对系统的温度和运行模式的概况有规定。这些概况指引我们在设计时要注意哪些地方以及精力该如何分配。IGLOO器件的低功耗工艺和硅片设计由Actel来保证，用户所要关注的是：关心器件的选型、掌握所使用的FPGA的架构、掌握PCB的板级布局（主要是电容及I/O的走线）。

　　对于同一系列的器件来说，器件的die越小，器件的功耗也会越小。也就是说，在选用器件的时候，应该尽量选择规模小的器件。选定器件后，可以在设计过程中，通过一些技巧尽可能的少占用资源，比如通过时分复用的方式少占用I/O，共享加法、乘法等算法逻辑，共享RAM等，同时也有必要了解所选用的FPGA的架构。

　　用户需要在功耗和速度之间做平衡，在对速度性能要求不高的时候，尽量使用低的核电压和低电压的I/O接口标准。根据设计工作的实际状况，在某些时候将当前不工作的资源关掉，比如通过控制SRAM的LP或BLK引脚，使其在不工作的时候可以被关断，或者是通过Flash Freeze端口进入Fresh Frezee模式以降低静态功耗。在PLL不需要工作的时候，通过Power Down引脚将其关掉，不过需要注意的是，需要考虑重新开启以后，PLL的锁定时间对系统是不是有影响。关掉没有输入总线的I/O Bank。

　　注意，不要滥用上拉/下拉电阻。在活动模式下，如果总线被反向模式驱动（如上拉的被“0”驱动，或下拉的被“1”驱动），那么每个I/O上的电流会增加。要预防被驱动的总线进入3态状态。除非FPGA的工作时间确实短，否则建议跟板子设计者沟通以确保对输入进行持续的驱动。

　　要降低设计的动态功耗，首先要了解影响动态功耗的因素。动态功耗通常和电压、信号翻转频率、容性负载正相关，设计所占用的逻辑资源越多、时钟频率越高、I/O和RAM越多，动态功耗就越大。同时也需要分析设计的动态功耗概况。

　　确定要降低的动态功耗的目标，如果要降低的动态功耗的目标是目前整个系统动态功耗的20%，那么选用Actel的IGLOO器件或许就可以实现所要达到的目标。如果目标是80%，那么除了选用IGLOO器件外，还需要从系统和架构上去考虑。

　　针对不同的系统功耗的概况，梳理动态功耗的重点，见图1。针对Case1中动态功耗的示意图，我们可以看出其功耗主要分布在逻辑、存储和时钟方面，这样我们的精力就不能放在如何降低I/O的功耗上去，而针对Case3这种情况，如果要降低动态功耗，就必须要解决I/O上的功耗问题。

图1 不同系统的动态功耗在线座谈精华

　　要减少RAM的功耗，除了对RAM的控制和时钟信号进行门控制以外，还需要知道RAM的读和写分别对功耗的影响有多少。地址变化、读写顺序、RAM级联方式对功耗的影响。

　　对RAM进行读操作涉及到：控制所存地址和控制锁存、行的预译码电路、读的列译码电路、行的最终译码电路、读的列译码控制、传感放大器、数据输出选择和锁存电路、Sense enable logic、读控制电路、Bit-line预充电电路等十个相关电路。而对RAM进行写操作需要涉及到的电路有：地址和控制锁存、行的预译码电路、写的列译码电路、行的最终解码控制、写的列译码控制、写驱动电路和Bit Line预充电电路。因此，相比较而言，读操作会比写操作消耗更多的功耗。

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