原创 功耗分析以及XPower的使用

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1．功耗分析简介 

在FPGA 设计中，功耗分析是成功设计的重要环节。针对 FPGA 设计中的功耗分析，Xilinx 公司推出了简单的速查表格和专用的功耗分析工具——XPower。对于开发初期的 FPGA 功耗估算，设计者一般使用 Xilinx公司提供的简单图表和公式。例如，XC9500 系列器件的简单功耗分析可以在其数据手册中找到估算公式。Virtex-E 和 Virtex-Ⅱ系列器件的简单功耗分析可以通过 Xilinx公司提供的功耗估算表格完成。对于基本完成逻辑设 计 的 FPGA 功 耗 估 算，设计者可以使用XPower进行详细的功耗分析。 

在 XPower功耗分析过程中，其功耗估算的基本方法是：（1）计算每个设计单元的功耗。（2）累加各个设计单元的功耗。由于CMOS电路的动态功耗很大程度上取决于电路的翻转频率，所以XPower采用如下公式计算单个设计单元的功耗[M]：

• XPower用户界面

XPower的启动方法有两种：一种是单独启动XPower，直接点击“开始” “程序” “Xilinx ISE 9.1i” “Accessories” “Xpower”即可启动；另一种是在工程经过布局布线后，在过程管理区双击“Implementation” “Place and Router” “Analyze Power (XPower)”，则打开XPower，并自动加载当前工程。在例M的工程中，采用后一种方法打开XPower，其用户界面如图4-54所示。

 

图4-54 XPower的启动

 
XPower的用户界面由菜单栏、工具栏、功耗结果显示窗口、表格分析窗口、浏览窗口、信息显示窗口以及状态栏等部分组成。 

在ISE过程管理区，双击“Generate Power Data”命令将自动生成设计的功耗分析报告，再双击“View XPower Report”命令来阅读报告。典型的分析报告（例M的功耗分析报告）如图M所示。报告会给出各个电压相应的电流大小以及功耗，便于设计人员设计相应的电 源模块。

图4-55 典型的Xpower分析报告

•  XPower的操作流程

要准确利用XPower来分析功耗，关键是确定信号的工作频率、信号翻转率以及输出负载等参数。XPower允许设计人 员任意修改工作频率、信号翻转以及负载等参数，以便观察某一参数对功耗的影响。此外，XPower支持VCD文件格式，可得到最全面的信号翻转信息，减少 手工输入信号翻转信息的繁琐操作，提高功耗分析的效率和正确性。典型的XPower使用流程如下： 

<1> 打开XPower软件，选择“File”菜单下的“Open”命令，则会弹出如图M的对话框。其中“Design File”栏用于输入设计文件，其后缀为.ncd；“Physical Constraints File”栏用于输入物理约束文件，其后缀为.pcf；“Setting File”栏用于输入设置文件，其后缀为.xml；“Simulation File”栏用于输入仿真后的输出文件，其后缀为.vcd。显示类型（View Types）分为Types类型（分类视窗）和Hierarchical类型（分层视窗）两类视窗模式。

 

图4-56 XPower打开文件对话框

 
<2> 选中图M中的“Launch New Design Wizard”参数，点击“OK”按键，启动设计向导，弹出如图M所示的对话框。

 

图4-57 设计向导对话框

单击图M中的“下一步(N)”按键，进入参数配置窗口，整体分为4个步骤。第1个步骤的界面如图M所示。

图4-58 XPower向导第1步

 
其中，“Voltage Source”用于设置FPGA芯片的电源参数，包括核电压、辅助电压以及IO端口参考电压，根据所选的器件输入相应的数值，一般选用默认值即 可；“Battery Capacity and Battery Life”栏用于设定电池的容量和寿命，如输入电池容量为1000mAH，则会自动给出电池的使用寿命为3.02小时；“Thermal”栏用于设定温度 参数，“Ambient”用于设定环境温度，“Air”设定空气对流强度。 

<3> 点击图M的“下一步（N）”按键，进入设计向导第2步，设置各个信号的工作频率，包括同步信号和异步信号，其界面如图M所示。选中相应的信号，在 “Frequency”文本框中输入大小，并选择合适的单位，单击“Apply”按键确认，也可点击“Reset”按键复位到初始值。

 

图4-59 XPower向导第2步

 
<4>点击图M的“下一步（N）”按键，进入设计向导第3步，设置信号的输出负载电容，其界面如图M所示。选择信号后，输入电容大小，单击“Apply”按键确认，也可以单击“Reset”按键复位到初始值。

 

图4- 60XPower向导第3步

 
<5> 点击图M的“下一步（N）”按键，进入设计向导第4步，设置信号的直流电流负载，其界面如图M所示。选择信号后，输入电流大小，单击“Apply”按键确 认，也可以单击“Reset”按键复位到初始值。此时，确认无误后，可点击“Finish”按键完成设计向导，如有错误，可单击“上一步（B）”返回到先 前界面进行修改。

 


图4-61 XPower向导第4步

 
<6> 单击XPower软件的“File”菜单下的“Open Setting File…”命令，可加入设置文件；再选择“Open Simulation File…”命令，加入仿真工具生成的.vcd文件。选择相应的约束文件后，XPower会在信息提示窗口给出加载成功的指示信息。 
等加载完约束文件后，可点击浏览器窗口的“Report Views” “Power Report（HTML）”，察看设计功耗分析结果，其界面如图M所示。

 

图4-62 XPower输出结果

• VCD文件

在 XPower功耗分析过程中，为保证功耗分析报告基本符合实际情况，应该准确设置功耗分析参数。在XPower中，用户可以手工设置功耗分析参数，也可以 通过读入VCD文件自动设置功耗分析参数。利用 VCD文件设置功耗分析参数可以使当前设计的信号翻转频率、输出负载等参数更符合实际情况。在使用ModelSim进行仿真时，VCD文件不是默认的输出 文件，用户需要在仿真过程中指定输出相应的VCD文件。其中，仿真Verilog HDL 设计文件时，需要在Testbench文件中加入适当语句，如下所示：

initial begin 
       // design.VCD表示将要生成的VCD文件名 
       $dumpfile("design.VCD"); 
       //testbench表示测试名称，uut表示待测试的模块名称 
       $dumpvars(1, testbench.uut); 
end 

仿真VHDL设计文件时，需要在DO文件中加入适当语句，如下所示：  
--design.VCD表示将要生成的VCD文件名; 
.VCD file design.VCD 
-- testbench表示测试名称，uut表示待测试的模块名称 
.VCD add testbench /uut/* 

3．简易的功耗分析方法 

Xilinx提供了两种基于电子数据表和基于网站的简易功耗估计工具：一种叫做Web Power Tools，另一种是XPower估计器。Web Power Tools和XPower估计器可通过http://china.xilinx.com/products/design_resources /power_central/获得，二者都提供了根据逻辑利用率大概估计做出的功耗估算，其区别在于：Web Power Tools基于网站，用于早期芯片的功耗评估，支持Virtex-II Pro、Virtex-II以及Virtex/Virtex-E系列芯片；XPower估计器基于电子数据表格，支持Virtex5、Virtex-4、 Spartan-3A DSP、Spartan-3A/3AN、Spartan-3E以及Spartan-3等较新系列芯片。 

Xilinx会自动更新各个系列芯片的电子数据表格，用户下载相应的电子数据表格时，可看到最后一次更新的时间。这两种简易功耗评估工具可以仅凭设计利用 率估计就能获得初步的功耗评估，而无需实际设计文件，是在设计流程的早期获得器件功耗情况的最快捷和最方便的方法。此外简易功耗评估工具不需要安装，只需 要拥有互联网连接和Web浏览器，将电子表格下载到本地即可。 

1）XPower估计器的用户界面 

每款型号所对应的XPower估计器的电子数据表格是不同的，下面以Virtex-4系列芯片的电子表格为例进行介绍。将网站上相应的电子数据表格下载到本地后，用OFFICE系列的Excel工具打开后，其界面如图4-63所示。

图4-63 Virtex系列芯片的XPower估计器

从图4-63中可以看出，XPower评估器可分为不同的页面，包括Summary页面、CLOCK页面、LOGIC页 面、IO页面、BRAM页面、DCM页面、PMCD页面、DSP页面、PPC页面、MGT页面、EMAC页面、Graphic页面以及Release页 面。其中，主界面处输出最终结果，可分为芯片栏、热量信息栏、热量总结栏、注释栏、块总结栏、功率总结栏、电压源总结栏以及交互操作区域组成。其中，不同 的颜色表明了用户可进行的操作，详细说明如表4-2所列。

表4-2 电子表格颜色说明

在Release页面可以查看电子表格的更新版本记录，如本书所用的电子表格版本为9.1.02，更新时间为2007-04-23，其相关信息如图4-64所示。

图4-64 Virtex系列芯片的XPower估计器

2）XPower估计器的使用流程 

XPower估计器的使用方法非常简单，设计人员直接在各个分页面输入相应的资源利用率和时钟频率，然后回到Summary页面，就可以看到各个电压的电 流值，并得到FPGA的工作功率和工作温度。下面以XC4VSX35-12芯片的设计为例，介绍XPower估计器的使用方法。

例4-4 使用XPower估计器预算XC4VSX35-12应用的功耗。 

1． 双击打开XPower估计器，在Summaty页面的Device栏的Part选项的下拉框中选择“XC4VSX35”、Package选项选择 “FF668”、Grade选项选择“industrial”、Process选项选择“Typical”、Steeping选项选择 “Steeping1”，如图4-65所示。同时，将Thermal Information栏选择默认值。

图4-65 XPower估计器的芯片配置界面

2. 由于Virtex-4族的SX系列芯片没有PowerPC、MGT（吉比特收发器）以及EMAC（以太网接口）控制器，所以只需要设定时钟、逻辑、IO、 BRAM、DSP以及DCM即可。XPower估计器只是粗略预算，所以在输入以上指标，应预留15%的裕量，即所有值按照真实值的115%输入。在时钟 栏输入所有可能用到的时钟，并给出其扇出（Fanout）大小（一般设定为10即可），本例中，输入了270MHz、120MHz以及60MHz这3个频 率的全局时钟，如图4-66所示。

图4-66 XPower估计器的时钟配置界面

在逻辑页面，输入a、b、c三个模块，分别工作于不同的频率，并给出了其大致的逻辑资源和平均扇出，如图4-67所示。

图4-67 XPower估计器的逻辑配置界面

在IO页面，输入各个模块的端口数（注意：这里的端口是直接引到顶层模块，和芯片管脚所对应的端口数），选择工作电平标准以及工作频率等参数，本例的配置如图4-68所示。

图4-68 XPower估计器的IO配置界面

接下来配置BRAM页面，需要输入BRAM各个端口的位宽、速率、数量以及应用类型（包括BRAM、FIFO以及ECC等类型），本例的BRAM使用状况如图4-69所示。

图4-69 XPower估计器的BRAM配置界面

在DCM的配置页面中，填入所使用的DCM时钟的频率即可，本例用到了270MHz、120MHz以及60MHz这3个DCM输出，如图4-70所示。

图4-70 XPower估计器的DCM配置界面

最后需要配置的是DSP模块，本例只在a模块中使用了48个DSP模块，工作在270MHz，因此配置界面如图4-71所示。

图4-71 XPower估计器的DSP配置界面

配置完后，点击Graphic页面，可以看到功耗随设计的逻辑功能、电压、电压过程温度以及工作环境温度的变化曲线，如 图4-72所示。可以看到，本设计的逻辑所占功耗非常高，而大量的BRAM和DSP的功耗相对比较低。因此在设计中，应尽量使用芯片内部的硬核组件以降低 功耗。

图4-72 XPower估计器的图形化分析结果

完成上述过程后，返回到Summary页面，可以得到所有的功耗汇总结果，以及不同电压的电流大小，为系统的电源模块设计提供大致的参考范围，如图4-72所示。总的功耗为3.193W，1.2V核电压的工作电流大致为2.5A（1.941A+2.028A）。 

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式中，P 表示功耗，单位是mW；C表示电容，单位是F；V表示电压，单位是V；E表示翻转频率，指每个时钟周期的翻转次数；f表示工作频率，单位是Hz。在 XPower中，翻转频率既可以采用全局默认的翻转频率，也可以通过VCD文件获得。另外，XPower允许手工输入各个设计单元的翻转频率。 

在XPower功耗分析过程中，主要涉及NCD文件、CTX文件、PCF文件、VCD文件和PWR文件。其中，NCD文件是经过实现的FPGA设计文 件；CTX文件是经过物理实现（FIT）的CPLD设计文件；PCF文件是物理设计约束文件，该文件包含当前设计的时钟频率、电压等特性参数；PW R文件是XPower的功耗分析报告；VCD文件是对当前设计进行仿真后生成的文件，该文件包含了每个设计单元的翻转频率。 

2．XPower的用户界面以及使用流程 

XPower是一种设计后工具，用于分析实际器件利用率，并结合实际的适配后（post-fit）仿真数据（VCD文件格式），给出实际功耗数据。利用Xpower，您可以在完全不接触芯片的情况下分析设计改变对总功耗的影响。