FPGA與眾多其它類型組件的不同之處在于，其核心電壓、輔助電壓和I/O電壓電源需求取決于設計實現。因此，確定應用中FPGA的功耗比數據手冊描述的情況更復雜一點，要實現正確的電源架構因此也具有一定的挑戰性。這不僅要考慮到所需的靜態電流、斜坡率和上電順排序，還需要能為終端應用適當供電，同時保持器件結溫在可接受的范圍內。

XPE和XPA是什么？這是賽靈思推出的兩款設計工具，能幫助您準確地進行FPGA設計的功耗分析。您可在設計早期階段使用基于電子數據表的賽靈思功耗估計器（XPE），在完成實現后再使用賽靈思功耗分析器（XPA）。XPA能幫助您對設計的功耗要求做進一步的分析，并根據需要協助功耗優化。

初始步驟

首先啟動開發項目時，很難有整個FPGA設計都到位的情況（如果幸運的話，或許能重復利用一些代碼，這能為功耗預測提供更多準確信息）。因此，進行估算功耗首先可以從XPE電子數據表入手（參見： ucts/design_tools/logic_design/xpe.htm ）。您可以根據工程團隊對設計所需時鐘、邏輯和其它資源量的初步考慮來進行最初功耗估算。

XPE的使用非常直觀，更好的是，該工具能幫助您進行大量“假設”實現，從而明確不同設計方案選擇對功耗估算的影響。如果您的解決方案耗電高，那么這種功能對幫助您找到最佳實現方案發揮著重要作用。

XPE能根據散熱、氣流和印制電路板層數預測器件結溫，這一功能在設計早期階段非常有用。它能告訴我們設計能否達到預期實現方案的額定結溫。

在XPE中，您的第一步工作就是盡可能準確地完成設置。除了選擇器件之外，還要特別注意封裝、速度等級和溫度等級都要正確設置，同樣如果適用的話還要準確設置步進、工藝和功耗模式。所有這些參數，對所需的整體功耗有很大影響，尤其是工藝的設置，其設置分為“最大值”和“典型值”。典型值設置為您提供統計上應用所需的功耗，而最大值設置則能滿足最差情況下的需求。要確保您的解決方案能應對最高用電需求情況，但這也有一定困難，因為較大型器件也有著更高的電流需求。

我們也可在此定義工作環境，包括環境溫度、散熱和氣流等。在此定義最大環境溫度能提高估算準確度，因為所需的功耗會隨著器件結溫的提升而升高。包括散熱、氣流或者這兩者等，就能改進功耗估算。

在此階段也不要忽略賽靈思ISE?優化設置。這種設置對功耗估算也有影響，因為不同的優化方案（比方說時序性能與面積最小化方案）都會帶來不同的實現方案，每種實現方案都有自己的資源使用和扇出模式，也會影響功耗估算。

估算工作的下一階段就是仔細檢查XPE電子數據表底部的標簽，盡可能準確地填寫所建議的解決方案的細節。為了確保早期獲得最準確的估算，至少應定義資源使用、時鐘頻率、觸發率和啟用率，這非常重要。同時也應做好一定應急準備，應對始終存在的要求變化問題。

這一進程完成后，XPE能在總結標簽中提供整體功耗和結溫估算，如圖1所示。

估算完成后，您可根據需要，在總結頁面上選擇“導出文件”選項，將設置從XPE導出，以隨后用于賽靈思功耗分析器（XPA）中。這能確保XPA的設置與您最初用于估算的相匹配。

隨著開發工作向RTL制造、跟蹤綜合和布局布線推進，我們根據提供的更準確的信息，隨時更新估算結果。要記住，硬件團隊，尤其是負責電源設計的團隊，應了解估算的任何變動。電源工程師應提供電源軌最糟糕情況下的最大電壓，這能進一步提高估算精度。最差情況下最大電源電壓升高，也會讓功耗估算變大。

XPE非常智能，能在最差情況下最大電源電壓超出器件可接受容限時將電子數據表上的電壓單元標為橙色并發出警告，如圖2所示。

進入XPA

設計實現后，我們能用賽靈思功耗分析器從功耗圖片上獲得精確得多的功耗估算。結果到底有多精確，這取決于您對工具的輸入。您可點擊ISE設計套件進程窗口中布局布線項下的Analyze Power Distribution打開XPA（見圖3）。

一旦XPA打開，您又會看到類似于XPE的總結屏幕（圖4）。您在此可定義環境并創建更多設置，也可從您的XPE分析中導入設置。

要包括.xpa文件或打開新項目，您應采用以下流程，其中包括：

? 本地電路設計（NCD）文件：定義物理FPGA實現方案。

? 設置文件： 定義從XPE導入的設置。

? 物理約束文件（PCF） ： 包含時鐘信息和映射以及UCF限制。

? 數值變更轉儲（VCD）或開關行為互換文件（SAIF）仿真文件，可用仿真工具生成，使得XPA能獲得設計開關信息 。

自然，您直接包含的信息越多，功耗估算就越準確。XPA能提供估算可信度，這很有幫助，可信度分為低中高三級，并分為設計實現狀態、時鐘節點活動、I/O節點活動、內部節點活動和器件模型五大類。

這些不同的可信度可得出估算的整體可信度。XPA還能就如何提高各個不同類別的可信度提出建議，這也相當有用，從而有助于提升整體可信度（圖5）。

為了獲得功耗估算最高的可信度，您應該從門級仿真獲得VCD或SAIF文件。這樣，XPA就能了解內部節點的行為，從而提供更精確的估算。

從仿真獲得VCD非常直觀，不過根據您使用的工具（Mentor Graphics的ModelSim、賽靈思的ISim等）不同，所需的命令格式可能略有不同。如果您正在使用ModelSim工具，那么您就可用以下語法創建簡單的VCD文件：

vcd file myvcd.vcd

—define the file name and location if desired

vcd add /memory_if_tb/ uut_apply/*

—the region of the design that is to be recorded

退出仿真時，結果將會保存在VCD文件中，您可在XPA中使用這個文件。如果您使用的是ISim工具，那么格式會略有不同：

vcd dumpfile myvcd.vcd —define the file name and location if desired

vcd dumpvars -m /memory_if_tb/uut_apply

—the region of the design that is to be recorded

Run Simulation

vcd dumpflush

—save results to the vcd file created

仿真工具中還有許多更高級的命令，您可用來生成VCD。在工具文檔中有詳細介紹。

由于包括了VCD文件，您的功耗估算可信度會有所提高。如果您不能提供仿真結果（有的運行需要很長時間），那么XPA會用其內置的分析引擎運行。在此情況下要做到準確，就應再次指定翻轉率和啟用率。

與XPE中一樣，XPA中也應包括最差情況下的最大電源電壓，這非常重要。我們也可將XPA設計導回XPE，讓設計團隊嘗試進行更多試驗性修改，從而明確這些改動對功耗和結溫估算所產生的影響。

可信度還不夠高該怎么辦？

假設包括了仿真并提供有其它信息，那么您應該就能實現較高可信度的功耗估算和結溫預測。在理想情況下，應用應該可以接受這種可信度。不過，如果實際情況下您還無法實現這樣的可信度，工程師還有什么其他辦法確保設計實現功耗預算目標或所需的結溫呢？

為了實現所需的結果，我們可對以下設計的三處地方進行修改：源、實現和（就結溫而言）物理模塊設計。

在設計源中，您可采取以下步驟：

1. 刪除任何異步復位。

2. 在較大組合函數之間包括流水線級。

3. 確保通過推理或實例化在器件中采用專用的資源。

綜合和布局布線階段的選項包括：

1. 針對面積最小化或功耗降低設定優化方案。

2. 檢查設計約束，確保不過度約束器件。

3. 限制高扇出路徑的扇出。

4. 只要有可能，狀態機等就應采用RAM。

5. 確保啟用重新定時。

希望通過以上步驟，功耗估算和結溫預測都能得到改進。不過，如果以上還不行而且確實必要，您也可通過散熱或強制氣流來降低結溫，只是這么做會影響項目的機械設計。

準確的估算

您可用賽靈思功耗估計器和賽靈思功耗分析器獲得準確的FPGA設計功耗估算，這兩款工具可共享有關信息。功耗估算的準確度取決于仿真和工程設計團隊提供數據的質量。

您也應提供足夠的應急方案來應對要求的變化，確保解決方案能應對電流功耗和電源電壓斜率的要求。