基于FPGA的Vivado功耗估計(jì)和優(yōu)化

資源、速度和功耗是FPGA設(shè)計(jì)中的三大關(guān)鍵因素。隨著工藝水平的發(fā)展和系統(tǒng)性能的提升，低功耗成為一些產(chǎn)品的目標(biāo)之一。功耗也隨之受到越來(lái)越多的系統(tǒng)工程師和FPGA工程師的關(guān)注。Xilinx新一代開(kāi)發(fā)工具Vivado針對(duì)功耗方面有一套完備的方法和策略，本文將介紹如何利用Vivado進(jìn)行功耗分析和優(yōu)化。

功耗估計(jì)

在Vivado下，從綜合后的設(shè)計(jì)到布局布線后的設(shè)計(jì)，其間產(chǎn)生的任何DCP文件都可用于功耗估計(jì)，如圖 1所示。打開(kāi)綜合后的設(shè)計(jì)或布局布線后的設(shè)計(jì)，既可以在圖形界面模式下，選擇Report Power，也可以直接用Tcl命令report_power獲取功耗估計(jì)結(jié)果。其中，利用布局布線后的設(shè)計(jì)可獲得更為精確的功耗估計(jì)結(jié)果。

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在Vivado下，有兩種功耗估計(jì)模式。一種是向量模式，需要提供SAIF（Switching Activity Interchange Format）或VCD文件；一種是非向量模式，只需要提供簡(jiǎn)單的參數(shù)即可，但估計(jì)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。SAIF文件通過(guò)仿真生成，因此需要在Simulation Settings中進(jìn)行設(shè)置，如圖 2所示。這里的仿真只能是綜合后的功能/時(shí)序仿真或者布局布線后的功能/時(shí)序仿真，這是由圖 1的流程決定的。Xilinx建議在向量模式下選擇SAIF文件，因其估計(jì)速度要比VCD快。

選擇Report Power之后，彈出圖 3所示的界面，填入相應(yīng)的參數(shù)，如果是向量模式，在Switching窗口中選擇相應(yīng)的SAIF文件，如圖 4所示?？梢钥吹絉eport Power能夠生成XPE功耗估計(jì)所需文件。功耗估計(jì)的結(jié)果如圖 5所示，可以看到采用向量模式結(jié)果的confidence level為high，非向量模式為low。之所以有這樣的結(jié)果，是因?yàn)镾AIF文件提供了內(nèi)部信號(hào)和對(duì)外輸入輸出端口信號(hào)的翻轉(zhuǎn)率，如圖 6中的I/O Activity和Internal Activity所示。

圖 3 Report Power界面

圖 4 Report Power中的SAIF文件接口

圖5 功耗估計(jì)結(jié)果

圖 6 confidence level high和low的原因

功耗優(yōu)化

在Implementation階段，有專門針對(duì)功耗優(yōu)化的流程，如圖 7所示。有布局之前的power_opt_design，也有布局之后的power_opt_design。相比而言，布局之前的power_opt_design對(duì)功耗的優(yōu)化更徹底、更全面。

圖 7 針對(duì)功耗優(yōu)化的流程

選中圖 7中的is_enabled，并運(yùn)行implementation，結(jié)束之后打開(kāi)布局布線后的設(shè)計(jì)，在菜單中選擇Tool>Report>Report Power Optimization，或者用Tcl命令report_power_opt，可查看power_opt_design對(duì)功耗的優(yōu)化報(bào)告，如圖 8所示?？梢钥吹剑琕ivado通過(guò)對(duì)BRAM添加使能信號(hào)（圖中的TOOL GATED）控制信號(hào)的翻轉(zhuǎn)率，達(dá)到降低功耗的目的。

圖 8 功耗優(yōu)化報(bào)告

功耗優(yōu)化的目的是最大限度地降低FPGA功耗同時(shí)最小限度地避免其對(duì)時(shí)序的影響。但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)功耗優(yōu)化之后（運(yùn)行power_opt_design）時(shí)序惡化甚至無(wú)法收斂的情況，此時(shí)可通過(guò)Tcl命令set_power_opt來(lái)控制功耗優(yōu)化的對(duì)象。例如，對(duì)alu模塊中的store_ram不進(jìn)行優(yōu)化，可通過(guò)Tcl腳本 1實(shí)現(xiàn)；若只對(duì)某時(shí)鐘域進(jìn)行優(yōu)化，可通過(guò)Tcl腳本 2實(shí)現(xiàn)；若只對(duì)某類型的cell優(yōu)化，可通過(guò)Tcl腳本 3實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，為了獲得較為準(zhǔn)確的功耗估計(jì)結(jié)果，應(yīng)盡可能地提供SAIF文件，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)中的所有時(shí)鐘給出合理地約束，此外，對(duì)于扇出較大的控制信號(hào)也要給出其翻轉(zhuǎn)率。功耗優(yōu)化在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮，設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循好的RTL代碼風(fēng)格，例如盡量避免對(duì)觸發(fā)器和BRAM使用異步復(fù)位或置位，適時(shí)地選擇布局前的power_opt_design和布局后的power_opt_design，并根據(jù)功耗優(yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)序的影響，通過(guò)set_power_opt管理優(yōu)化對(duì)象。