现代的FPGA 芯片可以开发高性能运用，但在这些规划中电源办理通常是一大约束要素。FPGA 器材的资源运用最能决议规划的容量和处理速度，可是添加资源就会进步功耗。更高的功耗会进步运转本钱、面积要求和结温，而规划人员有必要用更多的气流和冷却体系来处理结温问题。
因为开发板或体系的总功耗极其重要，因而规划人员有必要设置一个功耗预算，在资源运用和功耗问题方面统筹平衡。所以，事前猜测体系潜在功耗的才能可协助规划人员取得先发优势。
关于完成前的功耗评价，赛灵思可供给一些东西依据用户输入内容或归纳陈述进行功耗估量。其间一款东西便是赛灵思功耗估量器(Power Estimator，XPE)电子数据表。这款依据Excel 的功耗估量东西能让您输入资源运用、翻转率和时钟频率等规划特点，并依据器材信息核算估量的功耗值。另一款常用的东西是赛灵思功耗分析器(Power Analyzer，XPA)。在布局和布线后，XPA 会导入已生成的NCD 文件，并运用完成详细信息和仿真成果(而非用户输入)来愈加精确地估量功耗。
作为备选计划，咱们规划出一种新办法来丈量实在器材上FPGA 规划的功耗估量值。为模仿不同的完成计划，咱们创立了一个独立于器材的通用VHDL 规划，其有或许完成在FPGA 运转时经过串行通道改动激活的资源(即DSP slice、Block RAM 和slice 寄存器)的数量及相应的运转条件(结温、时钟频率和翻转率)。 咱们的这种技能可以一起监控电源的电流和电压巨细，便于咱们轻松调查器材在不同资源运用和环境条件下的动态功耗特性。
咱们已在赛灵思KC702 评价板上完成了该规划。不过，只需您的FPGA 器材支撑规划中所运用的IP核，您只需做细微修正也可在任何其它器材上完成该规划。
另一种运用该技能的办法或许是作为面向FPGA 板的VHDL 测验规划。咱们假定最近规划了一个通用型Kintex®-7 开发板。客户可在不断改动的环境条件下运用不知道的资源容量在开发板上完成任何规划。为了保证开发板的安稳性和稳健性，咱们需求在最高和最低所需的环境温度下强加器材的作业极限，并验证FPGA 可以支撑不同的资源运用状况。但是，测验每种资源运用计划需求从头开始开发一款全新的VHDL 规划，这会耗费太多时刻。咱们引荐的办法可协助规划人员灵敏地依据需求对测验规划进行实时操控。
完成细节
咱们设法让完成计划尽或许的简略，以避免生成作为逻辑运用的s l i c e LUT，因为咱们无法对其功耗进行操控。完成slice 寄存器最简略的办法是将它们组合为移位寄存器模块。图1a中的方框图给出了slice 寄存器的完成办法。 这儿需求留意一个简略的问题，当咱们测验创立slice 寄存器时，归纳东西常常将slice LUT 作为32 位移位寄存器(SRL32)运用，而不是运用slice 寄存器。您也可以运用以下VHDL 特点来强制归纳软件运用slice寄存器：
LogiCORETM 模块存储器生成器创立作为单端口RAM 的Block RAM。将一个数位继续翻转的16 位字不断写入激活BRAM 的随机地址中，然后使它们坚持被占用状况。图1b 是单个BRAM 组件的方框图。相同，咱们运用DSP slice 将一个25位被乘数与一个18 位乘数相乘，得到一个43 位输出， 这便是单个DSP48E1 可以处理的最大字宽。一切DSP 组件的被乘数会被定时修正，然后使DSP 耗费动态功耗，如图1c 所示。但是，归纳东西企图在归纳过程中删去资源，因为这些模块的输出未与任何输出引脚衔接。您可以运用以下特点使资源坚持不变：
在该计划中，您可经过操控时钟使能信号来激活资源。时钟禁用后的资源只耗费十分小的功耗，可在规划中忽略不计。具体来说，具有100%翻转率的50 个DSP slice 的功耗为0.112 瓦，而当它们的时钟使能信号撤销断语时功耗为0.001 瓦。不同运用率下的成果简直相同。因而，每个资源组件都由时钟使能信号经过串行通讯进行操控的规划无需选用新的规划和完成过程即可当即仿真出改动运用率时的状况。
资源的均匀翻转率是明显影响功耗的重要要素。翻转率是指特定资源在每个时钟周期内输出信号的跳变次数。您可以替换改动资源的输入以使输出在每个周期都改动其状况，然后完成安稳的100% 翻转率。例如，要调整DSP slice 的翻转率，您可以挑选两个被乘数(接连替换)和一个乘数，这样输出的每位在每个周期中都会发生改动。输入信号的替换速率决议资源的翻转率;因而，咱们经过串行通道就能即时操控某个资源类型的翻转率。
此外，功耗还与时钟频率直接成正比。咱们运用混合形式时钟办理器(MMCM)生成具有可变频率的时钟。MMCM 输出的频率、相位和占空比由一组寄存器决议，并且一般只当完成规划和生成bit 流文件时才进行初始化。但是，MMCM 的动态重装备端口使咱们能在FPGA 运转时改动输出时钟等特性。时钟的相位和占空比不在考虑规模内，因为相位并不影响功耗，而占空比在大多数状况下也并不会改动。
另一方面，频率与功耗高度相关。MMCM 的内部作业机理是，VCO 频率由CLKOUT0_DIVIDE 寄存器的值进行分频，以取得所需的输出频率。咱们依据赛灵思运用攻略XAPP888 中介绍的状况机算法为寄存器赋予新值，完成无毛刺转化。与此一起，咱们依据图形用户界面(GUI)中的用户输入实时改动规划的时钟频率。然后，咱们能方便地调查不同频率下规划的功耗特性。
高温条件下的功耗行为是另一项需求仔细调查和验证的重要问题。芯片的内核温度取决于开发板规划、处理速度、环境温度、散热片和电扇的气流。在咱们的规划中，咱们运用简略的PWM 开关操控器改动坐落FPGA 芯片顶部的电扇的速度，然后部分地操控结温。此外，您也可以运用热风枪等外部加热东西来缩短加热时刻。
用片上传感器丈量内核温度，并经过LogiCORE XADC 导游生成模数转化器XADC。当您在GUI 中输入参阅温度值时，GUI 经过串行通道将参阅值发送到器材，并与片上传感器丈量到的内核温度进行比较。经过操控电扇的速度将结温安稳在所需的水平上。这样，您就可以调查功耗状况并制作与内核温度的走势图，然后验证是否满意规划的功耗预算，以及功耗在所需的加热特性下是否坚持在要害限值以内。
图形用户界面可用来与FPGA 器材通讯，以改动上述参数。图2 给出了GUI 的屏幕截图。咱们首要经过标准UART 运用其间一个可用端口衔接到器材。然后，咱们打开赛灵思功耗估量器将估量值与丈量值进行比较。GUI 当即为运用默许参数值的估量功耗和实践功耗制作功耗与时刻联系图。您可在相关面板中修正这些参数，并在资源(Resource)面板中运用翻转率指定所用的slice 资源数量。运用扫描(Utilization Sweep)面板在等距离下从0% 至100% 扫描特定资源的运用率，并运用每个距离的丈量功耗值制作功耗与运用率联系图。
相同，您可在时钟挑选(Clock Select)面板中改动MMCM 的输出并扫描时钟频率。鄙人一栏的Vccint 面板中可丈量和接连制作出FPGA 芯片的电源电压。一起，内核温度(Core Temperature)面板显现并制作出内核温度。用户可在供给的对话框中输入参阅温度以改动结温。
您可运用集成在KC702 开发板上的德州仪器(Texas Instruments)UCD9248 数字PWM 体系操控器丈量电源的电压和电流电平。这种用于电源转化器的多轨和多相位PWM 操控器支撑电源办理总线(PMBus)通讯协议。其PWM 信号可驱动用于调理Vccint 电源电压的UCD7242 %&&&&&%。一组PMBus 指令可用于装备%&&&&&%功用。UCD7242 包含片上电压与电流感应电路，并与UCD9248 进行通讯。咱们的GUI 软件不断向该器材发送相应的PMBus 指令，一起接纳标准PMBus 数据格式的DC/DC 转化器的电压和电流值。然后，咱们将收到的字节转化为实践数值，并取得电源的电压和电流电平。
在高温下运转杂乱、拥塞的规划或许会打乱电源电压电平。不幸的是，FPGA 芯片关于输入电压的容差规模较小。超越该电平规模会导致芯片上的功用失效或许永久损坏。因而，您在规划完开发板后，还需求测验苛刻作业条件下电压电平的安稳性。Vccint 面板可用来调查和验证规划开发板的电源体系是否可以接受高温下进行高速处理时的电压改动。
规划人员需求一直谨记的重要一点是：因为制作工艺改动，每个器材都会有不同的功耗。例如，在Virtex-7 FPGA 芯片制作完成后，会在测验阶段承认满意让芯片正确运转的最小电压源电平并写入电熔丝。将稳压器输出调理至这个最小电压电平可以改动静态功耗。因而，静态功耗的偏移会导致XPE 与咱们的规划在成果上呈现差异。例如，XPE 中估量的Kintex-7 芯片的静态功耗在典型状况与最差状况时核算相差0.7 瓦。
完美匹配XPE
咱们在许多具有可变要素的不同规划计划中对咱们的规划进行了测验，以保证其精确性和可靠性。一起，还在丈量值的暗示图中绘出XPE 的估量成果，然后将功耗估量值与实践丈量值进行比较。
经过开始将资源运用率从零至规划最大值扫描的规划完成可调查Kintex-7 器材的功耗行为。图3 给出了扫描一种资源类型的运用率过程中功耗的改动状况。直线和虚线别离代表实践功耗丈量值和XPE 的估量值。咱们可以看到即便在运用率和功耗处于高值时两条曲线仍然靠得十分严密。
这些成果标明赛灵思功耗估量器核算值与实践丈量值共同，可以精确地猜测功耗。此外，咱们还可以判定咱们引荐的办法可以起到预期作用，并且可以作为XPE 的代替计划。更好的挑选是将两种办法结合运用。一起选用XPE 和咱们的办法来测验规划可对成果进行两层查看，保证您在XPE中修正数字时不会犯任何过错。例如，如果您没有在XPE 中正确输入时钟的均匀扇出数字，或许误解了一个概念并过错填写对话框，那么得到的暗示图就无法重合，即标明有过错存在，这样您就可以校对输入值，避免呈现误导性的预算成果。
FPGA 开发板的额外标准，例如最大功耗或答应的内核温度规模，总是包含在开发板的数据手册中。不过，具有较高资源运用率和时钟频率的规划会超出这些额外值。因而，有必要承认功率调理器能为器材供给满意的电流，并且散热体系足以将温度坚持在FPGA 规划的临界值以内。咱们的办法可经过添加资源运用和时钟频率来测验开发板的可靠性能否满意高性能要求。这种测验有助于承认开发板上完成的规划所具有的最高信号处理速率。此外，咱们还可以了解是否需求晋级开发板的功用和体系的冷却机制。
测验成果标明了咱们的办法可以可靠地操控资源运用和评价功耗，因而工程师在规划前期阶段就多了一种电源办理选项。在采纳进一步功用改善后，例如添加JTAG 接口、彻底独立于器材的VHDL 代码以及通用的电流感应体系，这项规划将会成为FPGA 项目的要害东西。
