便攜式產(chǎn)品具有低功耗意識的FPGA設(shè)計方法

　　ILGOO系列低功耗FPGA產(chǎn)品

　　Actel公司的ILGOO系列器件是低功耗FPGA產(chǎn)品，是在便攜式產(chǎn)品設(shè)計中替代ASIC和CPLD的最佳方案。它在Flash*Freeze模式時的靜態(tài)功耗最低可達(dá)到2μW，電池壽命是采用主流PLD的產(chǎn)品的5倍以上。針對I/O需求數(shù)目更多的低功耗應(yīng)用，Actel可以提供IGLOO PLUS系列，規(guī)模分別是3萬、6萬和12.5萬門。和相同封裝的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個I/O Bank。在多電壓應(yīng)用環(huán)境中比較有利，并且支持熱插拔和施密特觸發(fā)器。Actel在IGLOO系列產(chǎn)品的開發(fā)過程中，對靜態(tài)功耗的主要物理來源——漏電流方面做了改進(jìn)。同時在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)率、速度以及可靠性做了嚴(yán)密的監(jiān)控。

　　采用IGLOO器件的低功耗優(yōu)勢從哪些方面獲得呢？首先來自IGLOO器件本身對漏電流源頭的控制，以及器件所提供的各種節(jié)省功耗的特性的實現(xiàn)和各種最少功耗數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的實現(xiàn)。除此之外，設(shè)計中采用一些低功耗技巧，也可以降低靜態(tài)功耗。

　　IGLOO具有功耗友好的器件架構(gòu)，能提供靜態(tài)、睡眠、Flash*Freeze功耗模式，允許采用動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)技術(shù)來降低系統(tǒng)整體實際功耗。提供可選擇的1.2V和1.5V的I/O和核電壓，以方便用戶平衡設(shè)計的性能和功耗之間的關(guān)系。IGLOO的時鐘結(jié)構(gòu)可以沒有副作用的對全局信號和局部信號進(jìn)行門控制。另外IGLOO的RAM模塊具有LP和F*F端口來控制RAM本身的靜態(tài)功耗。

　　系統(tǒng)溫度及功耗概況

　　工業(yè)、汽車電子、軍事, 甚至商業(yè)類客戶都會對系統(tǒng)的溫度和運行模式的概況有規(guī)定。這些概況指引我們在設(shè)計時要注意哪些地方以及精力該如何分配。IGLOO器件的低功耗工藝和硅片設(shè)計由Actel來保證，用戶所要關(guān)注的是：關(guān)心器件的選型、掌握所使用的FPGA的架構(gòu)、掌握PCB的板級布局（主要是電容及I/O的走線）。

　　對于同一系列的器件來說，器件的die越小，器件的功耗也會越小。也就是說，在選用器件的時候，應(yīng)該盡量選擇規(guī)模小的器件。選定器件后，可以在設(shè)計過程中，通過一些技巧盡可能的少占用資源，比如通過時分復(fù)用的方式少占用I/O，共享加法、乘法等算法邏輯，共享RAM等，同時也有必要了解所選用的FPGA的架構(gòu)。

　　用戶需要在功耗和速度之間做平衡，在對速度性能要求不高的時候，盡量使用低的核電壓和低電壓的I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)設(shè)計工作的實際狀況，在某些時候?qū)?dāng)前不工作的資源關(guān)掉，比如通過控制SRAM的LP或BLK引腳，使其在不工作的時候可以被關(guān)斷，或者是通過Flash Freeze端口進(jìn)入Fresh Frezee模式以降低靜態(tài)功耗。在PLL不需要工作的時候，通過Power Down引腳將其關(guān)掉，不過需要注意的是，需要考慮重新開啟以后，PLL的鎖定時間對系統(tǒng)是不是有影響。關(guān)掉沒有輸入總線的I/O Bank。

　　注意，不要濫用上拉/下拉電阻。在活動模式下，如果總線被反向模式驅(qū)動（如上拉的被“0”驅(qū)動，或下拉的被“1”驅(qū)動），那么每個I/O上的電流會增加。要預(yù)防被驅(qū)動的總線進(jìn)入3態(tài)狀態(tài)。除非FPGA的工作時間確實短，否則建議跟板子設(shè)計者溝通以確保對輸入進(jìn)行持續(xù)的驅(qū)動。

　　要降低設(shè)計的動態(tài)功耗，首先要了解影響動態(tài)功耗的因素。動態(tài)功耗通常和電壓、信號翻轉(zhuǎn)頻率、容性負(fù)載正相關(guān)，設(shè)計所占用的邏輯資源越多、時鐘頻率越高、I/O和RAM越多，動態(tài)功耗就越大。同時也需要分析設(shè)計的動態(tài)功耗概況。

　　確定要降低的動態(tài)功耗的目標(biāo)，如果要降低的動態(tài)功耗的目標(biāo)是目前整個系統(tǒng)動態(tài)功耗的20%，那么選用Actel的IGLOO器件或許就可以實現(xiàn)所要達(dá)到的目標(biāo)。如果目標(biāo)是80%，那么除了選用IGLOO器件外，還需要從系統(tǒng)和架構(gòu)上去考慮。

　　針對不同的系統(tǒng)功耗的概況，梳理動態(tài)功耗的重點，見圖1。針對Case1中動態(tài)功耗的示意圖，我們可以看出其功耗主要分布在邏輯、存儲和時鐘方面，這樣我們的精力就不能放在如何降低I/O的功耗上去，而針對Case3這種情況，如果要降低動態(tài)功耗，就必須要解決I/O上的功耗問題。

圖1 不同系統(tǒng)的動態(tài)功耗在線座談精華