具有低功耗意識的FPGA設(shè)計(jì)方法

　　在降低時(shí)鐘樹的功耗方面，常用的方法有使用門控時(shí)鐘，對常用的流水線時(shí)鐘結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，盡量使用FPGA內(nèi)部的全局時(shí)鐘資源等。通過對常用的流水線時(shí)鐘結(jié)構(gòu)在RTL級進(jìn)行修改，就像在圖4中所看到的，做正反時(shí)鐘沿間隔，這樣時(shí)鐘頻率可以減慢一半，可以節(jié)省該時(shí)鐘路徑一半的功耗。同樣可以通過人工對時(shí)鐘域進(jìn)行平面布局，來降低時(shí)鐘樹產(chǎn)生的功耗。這種方式對工程師的要求相對較高。Actel的設(shè)計(jì)師提供基于功耗驅(qū)動的布局布線策略。選擇該策略，布局布線工具自動會在滿足時(shí)序要求的情況下，盡可能的降低布局功耗。

圖4 對常用的流水線時(shí)鐘結(jié)構(gòu)在RTL級做修改

　　要降低邏輯和走線的功耗，需要調(diào)整綜合選項(xiàng)、了解算法/功能塊的架構(gòu)和功耗概況，通過減少信號的翻轉(zhuǎn)來降低功耗。不同的綜合選項(xiàng)和策略會對動態(tài)功耗有影響，基本上需要注意的是全局時(shí)序的設(shè)定以及set_max_fanout選項(xiàng)，以及是選用面積優(yōu)先還是時(shí)序優(yōu)先的綜合策略。

　　通過對DesignWare和一些私有的加法器和不同頻率下的功耗的評估，DesignWare下面的BK加法器在功耗方面是最友好的。針對同樣5%到10%的速度降級，BK加法器和其他的私有加法器的核相比，可以減少10%到15%的面積和功耗。在選擇乘法器的時(shí)候，必須要考慮乘法器的面積、功耗和速度。

　　計(jì)數(shù)器在設(shè)計(jì)中有不同的用法，有的用于計(jì)算事件發(fā)生的順序或者用掉的時(shí)間，有的用于驅(qū)動類似于RAM的地址總線、數(shù)據(jù)總線、狀態(tài)機(jī)的下一跳狀態(tài)或者輸出邏輯，有的用于當(dāng)輸出的值達(dá)到不同的解碼值時(shí)做不同的設(shè)定的處理。根據(jù)不同的用途可以考慮用二進(jìn)制順序計(jì)數(shù)、格雷碼計(jì)數(shù)、環(huán)形計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。如果計(jì)數(shù)器只是用于產(chǎn)生一些標(biāo)記，建議采用二進(jìn)制的實(shí)現(xiàn)方式；如果計(jì)數(shù)器用于驅(qū)動一個(gè)大的負(fù)載總線，建議用格雷碼計(jì)數(shù)器；如果多個(gè)計(jì)數(shù)器的值需要被解碼，環(huán)形計(jì)數(shù)器是最佳選擇(譯碼邏輯是最小的）。

　　通過降低邏輯的翻轉(zhuǎn)率來降低動態(tài)功耗

　　首先在設(shè)計(jì)中，需要盡量避免不必要的翻轉(zhuǎn)，可以通過下面幾個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：首先分析哪些邏輯的翻轉(zhuǎn)是不必要的，隨后對不必要的邏輯翻轉(zhuǎn)的傳播進(jìn)行限制，展開邏輯翻轉(zhuǎn)的時(shí)間。

　　減少邏輯可能產(chǎn)生的毛刺，先標(biāo)識出翻轉(zhuǎn)率高的網(wǎng)絡(luò)以及它們的驅(qū)動，然后對驅(qū)動單元輸入的最壞時(shí)序情況做評估，隨后將毛刺的源往前調(diào)或往后調(diào)，然后對驅(qū)動單元的輸入的最壞時(shí)序情況做評估，最后在驅(qū)動的邏輯后面插入一級觸發(fā)器，根據(jù)先前的評估情況來決定用路徑上其他時(shí)序元件的相同時(shí)鐘沿或者相反的時(shí)鐘沿來驅(qū)動觸發(fā)器。即使是在單周期路徑上面，如果有足夠的slack來增加一個(gè)與門以及相關(guān)走線，那么就可以用與門的另外一個(gè)輸入（毛刺源驅(qū)動寄存器）的反相時(shí)鐘沿，從而減少毛刺。在某些情況下，可以通過伸展反轉(zhuǎn)時(shí)間來降低毛刺的峰值功耗。

　　建議設(shè)計(jì)者要了解最終系統(tǒng)的運(yùn)行模式，以及每種模式下系統(tǒng)的功耗概況。如果系統(tǒng)處于睡眠模式或者關(guān)閉模式的時(shí)間較長，需要觀察浪涌電流和編程電流的影響，并處理好靜態(tài)功耗。需要檢查設(shè)計(jì)的動態(tài)功耗概況，找出功耗的主要瓶頸，根據(jù)概括表（圖5~圖8）找出最好的解決方法。

圖5 RAM 動態(tài)功耗概括表

圖6 I/O功耗概括表