基于FPGA的Vivado功耗估计和优化
资源、速度和功耗是fpga设计中的三大关键因素。随着工艺水平的发展和系统性能的提升，低功耗成为一些产品的目标之一。功耗也随之受到越来越多的系统工程师和fpga工程师的关注。xilinx新一代开发工具vivado针对功耗方面有一套完备的方法和策略，本文将介绍如何利用vivado进行功耗分析和优化。
功耗估计 在vivado下，从综合后的设计到布局布线后的设计，其间产生的任何dcp文件都可用于功耗估计，如图 1所示。打开综合后的设计或布局布线后的设计，既可以在图形界面模式下，选择report power，也可以直接用tcl命令report_power获取功耗估计结果。其中，利用布局布线后的设计可获得更为精确的功耗估计结果。
在vivado下，有两种功耗估计模式。一种是向量模式，需要提供saif（switching activity interchange format）或vcd文件；一种是非向量模式，只需要提供简单的参数即可，但估计结果不够准确。saif文件通过仿真生成，因此需要在simulation settings中进行设置，如图 2所示。这里的仿真只能是综合后的功能/时序仿真或者布局布线后的功能/时序仿真，这是由图 1的流程决定的。xilinx建议在向量模式下选择saif文件，因其估计速度要比vcd快。
选择report power之后，弹出图 3所示的界面，填入相应的参数，如果是向量模式，在switching窗口中选择相应的saif文件，如图 4所示。可以看到report power能够生成xpe功耗估计所需文件。功耗估计的结果如图 5所示，可以看到采用向量模式结果的confidence level为high，非向量模式为low。之所以有这样的结果，是因为saif文件提供了内部信号和对外输入输出端口信号的翻转率，如图 6中的i/o activity和internal activity所示。
图 3 report power界面
图 4 report power中的saif文件接口
图5 功耗估计结果
图 6 confidence level high和low的原因
功耗优化 在implementation阶段，有专门针对功耗优化的流程，如图 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对功耗的优化更彻底、更全面。
图 7 针对功耗优化的流程
选中图 7中的is_enabled，并运行implementation，结束之后打开布局布线后的设计，在菜单中选择tool>report>report power optimization，或者用tcl命令report_power_opt，可查看power_opt_design对功耗的优化报告，如图 8所示。可以看到，vivado通过对bram添加使能信号（图中的tool gated）控制信号的翻转率，达到降低功耗的目的。
图 8 功耗优化报告
功耗优化的目的是最大限度地降低fpga功耗同时最小限度地避免其对时序的影响。但有时会出现功耗优化之后（运行power_opt_design）时序恶化甚至无法收敛的情况，此时可通过tcl命令set_power_opt来控制功耗优化的对象。例如，对alu模块中的store_ram不进行优化，可通过tcl脚本 1实现；若只对某时钟域进行优化，可通过tcl脚本 2实现；若只对某类型的cell优化，可通过tcl脚本 3实现。
综上所述，为了获得较为准确的功耗估计结果，应尽可能地提供saif文件，同时对设计中的所有时钟给出合理地约束，此外，对于扇出较大的控制信号也要给出其翻转率。功耗优化在设计之初就应考虑，设计中应遵循好的rtl代码风格，例如尽量避免对触发器和bram使用异步复位或置位，适时地选择布局前的power_opt_design和布局后的power_opt_design，并根据功耗优化对设计时序的影响，通过set_power_opt管理优化对象。
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在vivado下，有两种功耗估计模式。一种是向量模式，需要提供saif（switching activity interchange format）或vcd文件；一种是非向量模式，只需要提供简单的参数即可，但估计结果不够准确。saif文件通过仿真生成，因此需要在simulation settings中进行设置，如图 2所示。这里的仿真只能是综合后的功能/时序仿真或者布局布线后的功能/时序仿真，这是由图 1的流程决定的。xilinx建议在向量模式下选择saif文件，因其估计速度要比vcd快。
选择report power之后，弹出图 3所示的界面，填入相应的参数，如果是向量模式，在switching窗口中选择相应的saif文件，如图 4所示。可以看到report power能够生成xpe功耗估计所需文件。功耗估计的结果如图 5所示，可以看到采用向量模式结果的confidence level为high，非向量模式为low。之所以有这样的结果，是因为saif文件提供了内部信号和对外输入输出端口信号的翻转率，如图 6中的i/o activity和internal activity所示。
图 3 report power界面
图 4 report power中的saif文件接口
图5 功耗估计结果
图 6 confidence level high和low的原因
功耗优化 在implementation阶段，有专门针对功耗优化的流程，如图 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对功耗的优化更彻底、更全面。
图 7 针对功耗优化的流程
选中图 7中的is_enabled，并运行implementation，结束之后打开布局布线后的设计，在菜单中选择tool>report>report power optimization，或者用tcl命令report_power_opt，可查看power_opt_design对功耗的优化报告，如图 8所示。可以看到，vivado通过对bram添加使能信号（图中的tool gated）控制信号的翻转率，达到降低功耗的目的。
图 8 功耗优化报告
功耗优化的目的是最大限度地降低fpga功耗同时最小限度地避免其对时序的影响。但有时会出现功耗优化之后（运行power_opt_design）时序恶化甚至无法收敛的情况，此时可通过tcl命令set_power_opt来控制功耗优化的对象。例如，对alu模块中的store_ram不进行优化，可通过tcl脚本 1实现；若只对某时钟域进行优化，可通过tcl脚本 2实现；若只对某类型的cell优化，可通过tcl脚本 3实现。
综上所述，为了获得较为准确的功耗估计结果，应尽可能地提供saif文件，同时对设计中的所有时钟给出合理地约束，此外，对于扇出较大的控制信号也要给出其翻转率。功耗优化在设计之初就应考虑，设计中应遵循好的rtl代码风格，例如尽量避免对触发器和bram使用异步复位或置位，适时地选择布局前的power_opt_design和布局后的power_opt_design，并根据功耗优化对设计时序的影响，通过set_power_opt管理优化对象。
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