紫光同创国产FPGA学习之Power Calculator

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紫光同创里面的，芯片功耗计算。没看过，没用过。有兴趣瞄一下。我又不用再电池行业，对电源没啥要求。

没用经验之谈，拷贝参考书。

一、总体介绍

（一）Pango Power Calculator总体介绍

Pango Power Calculator是用来计算用户设计产生功耗的软件，简称PPC，是集成在PDS中的一个组件。用户在完成design设计，经过综合、map、布局布线后，可以使用PPC计算出芯片的功耗。
在布局布线后，PPC可以得到真实的FPGA资源使用情况（包括各种资源的数目、绕线情况、Clock主频等），通过这些信息可以计算出较准确的功耗值。
PPC主要有三项数据输入：
1．布局布线完成之后，各项资源的使用信息，包括：各种Grid device资源的实际数目、配置信息、绕线信息、以及Clock的主频、Clock数量等。
2．Signal activities信息，有两种方式获取该信息：一种是由用户指定默认值，软件根据用户指定的默认toggle和static probability，通过遍历整个网表来估算所有资源的signal activities；另一种是读入仿真工具（如Modelsim）产生的VCD文件来得到精确的signal activities。
3．用户提供的外部工作条件，主要包括环境、电压等参数。
PPC利用以上的输入数据可以精准的计算出功耗数值，较准确的反映design的功耗和芯片温升情况。
（二）功耗介绍

我毛华望QQ849886241，深圳工程师。博客http://blog.csdn.net/my_shar

1. 功耗的基本概念
功耗是电路在单位时间内消耗的能量，国际标准单位是瓦特（w）。
能量是物理系统做功本领的量度，国际标准单位是焦耳（j）。
2. FPGA电路功耗组成和分析
1）静态功耗（Static Power）
静态功耗是指FPGA在正常运行时所有电路各种漏电（leakage）产生的功耗。随着工艺尺寸的小型化，静态功耗占芯片总功耗的比例会越来越高。
2）动态功耗
动态功耗是用户设计（design）产生的功耗，由design本身的功能及数据输入的模式决定，主要包括瞬时功耗和充放电功耗。瞬时功耗在FPGA首次通电时产生，随着供电电压的不同而改变。充放电功耗是电路在充放电过程中产生的功耗。
3）片上功耗
片上功耗是FPGA芯片内部产生的功耗，它是静态功耗和动态功耗的总和。
4）片外功耗
片外功耗是IO引脚驱动芯片外部电路产生的功耗，主要包含IO终端，LED，IO buffer等电路。
3. 功耗影响因素
1）电压（Voltage）
电压主要影响动态充放电功耗，动态功耗和电压的平方成正比。
2）负载（Load）
负载主要影响动态充放电功耗，动态功耗和负载成正比。
3）时钟频率（Frequency）
时钟频率主要影响动态充放电功耗。动态功耗和时钟频率成正比。
4）信号翻转率（Toggle rate）
一个时钟周期之内信号翻转的次数，主要影响动态充放电功耗。动态功耗计算公式为：
P = 0.5 C V^2 f d
其中d表示Toggle rate。
5）输入状态概率（Input static probability）
输入状态概率是单位时间内输入为高电平的概率，主要影响input-dependent功耗。
6）输入信号转换速率（Input signal slew rate）
输入信号转换速率主要影响动态瞬时功耗。
7）工艺偏差（Process variation）
工艺偏差影响静态功耗和动态功耗。
8）环境温度（Ambient temperature）
环境温度是芯片周围空气的温度，主要影响静态功耗。
9）节点温度（Junction temperature）
节点温度是在设备运行时，FPGA中半导体电路PN结的温度。通常在选择device之后，会选择一个温度等级。这个等级定义了一个温度范围，在此范围下保证device可以按照指定的状态运行。如果运行环境超过了温度范围，将无法保证设备的正常运行。
结点温度 = 环境温度 + 片上功耗 * 对空气的有效热阻

10）对空气的有效热阻（Effective Thermal Resistance to Air（θJA（°C/W）））
对空气的有效热阻是一个定义功耗从FPGA中的硅单元以热量的形式扩散到空气的系数。
主要包含两部分：
1. 热量从硅单元向上传到周围空气中的热阻，用 θJA表示。
2. 热量从硅单元向下传到电路板然后到达空气的热阻，用 θJB表示。

4. PPC计算FPGA功耗的组成部分
PPC主要针对FPGA芯片在上电之后，芯片正常工作时的功耗进行分析，包含各种资源的静态和动态功耗分析。鉴于各种资源的功耗模型或者分析手段不同，PPC的功耗分析按照以下资源类别来进行：
1）逻辑资源
包括LUT，flop，gate，MUX等可编程逻辑块内部的功耗。
2）APM
乘法器，累加器，flop等APM模块内部功耗。
3）DRM
DRM内部功耗。
4）PLL
PLL内部功耗。
5）Clock network
Clock network产生的功耗，占全芯片功耗的较大比例。
6）Routing资源
Signal routing的功耗，占全芯片功耗的最大比例，而且随着工艺的小型化，这部分比例会越来越大。
7）IO
IO的功耗包括IO自身功耗，和IO驱动外部电路的功耗两个部分。
8）Hard-IP
包括SERDES、DDR2/3等。
9）其他模块
如Configuration RAM、CCS、解密模块、e-fuse等。

二、功能描述
（一）PPC功能简介

PPC通过遍历布局布线之后的电路网表，根据相关的配置情况（环境参数、电源电压、信号翻转率等）计算出用户设计中用到的各项资源的功耗数据。每次改变相关配置后需要重新执行PPC来计算功耗数据。
在执行PPC计算功耗之前，用户可以指定VCD文件用于计算信号的toggle rate，如果没有指定VCD文件，软件将会根据用户指定的默认signal activities估算出信号的toggle rate。
功耗数据计算完成之后，软件将会产生一个后缀为.ppr的功耗报告文件，该文本文件以表格的形式记录了setting信息和summary信息。setting信息包含器件、工作环境、电源电压等参数配置情况。summary中记录了总的功耗信息、各类资源的功耗分布以及各个电源的功耗分布情况。
（二）PPC支持的芯片器件类型

紫光同创国产FPGA学习之Power Calculator
表1 PPC支持的芯片器件类型
（三）软件运行

1）软件执行流程
PPC集成在PDS中，需通过PDS来运行PPC，PDS中提供了两种执行PPC的方式。
1. 双击Flow窗口下的Report Power，可产生文本类型的功耗报告。
在执行PPC之前用户可以配置PPC运行的相关参数，若不进行配置，PPC将使用默认参数计算功耗。
在Flow窗口中点击鼠标右键弹出菜单。

图 1 右键菜单配置选项
选择configure，在弹出对话框的左侧窗口中选择Report Power，右侧窗口跳转到PPC相应的配置界面。

图 2 PPC参数配置界面
该窗口中有两个复选框和两个Tab页面：Power Settings和VCD File Settings。
在Power Settings页面中，Specify Input Setting File为用户需要指定的配置文件，该配置文件提供了PPC计算功耗过程中需要的器件、环境、电源电压等相关参数。
在VCD File Settings页面中包含三项输入内容：
Specify Input VCD File: 用户指定的后仿真文件，该文件记录了仿真波形，通过该文件能够获取信号的翻转情况。
Specify the test bench top module:用户指定的仿真文件中顶层module名。
Specify the design top module instance:用户指定的设计design在test bench中的例化名。

图 3 VCD配置界面
在完成配置之后点击OK按钮保存配置。
双击Flow窗口下的Report Power执行PPC功耗计算流程，如下图所示：

图 4 Flow窗口界面
Report Power前面会出现一个进度条指示PPC执行功耗计算的进度情况，若在PPC执行过程中出现错误，PPC会停止执行并在Console窗口输出错误信息。PPC正常完成之后，点击PDS Report Summary界面中Report窗口下的Report Power选项，即可在PDS上打开PPC产生的文本形式的功耗报告。如下图所示：

图 5 PPC产生的文本格式的功耗报告
2. 点击PDS工具栏的Power Calculator图标，PPC会将功耗计算结果显示在界面中。
在PDS的工具栏中点击Power Calculator图标，如图所示：

图 6 PDS工具栏的Power Calculator图标
PPC首先加载模型文件，读取网表信息。之后弹出详细配置向导界面，如下图所示：

图 7 PPC配置图形界面
该页面中有2个按钮:Next、Run。
Next：跳转到下一个配置界面。
Run：执行PPC计算功耗。

配置向导中有两个页面。
1. 文件配置向导，如上图所示。页面中有7个选项：
Input Setting File：用户指定的PPC参数设置文件。
Input VCD File：用户指定的VCD仿真文件。
Specify the test bench top module：指定测试用例顶层module名。
Specify the design top module instance：指定design在test bench中例化的名字。
Output Setting File：用户指定输出的设置文件名和保存路径，PPC在运行完成之后会把运行时的相关参数保存下来，若不指定则在当前工作路径下保存默认设置文件。
Output Text Report File：用户指定输出的功耗报告文件，PPC在运行完成之后会把功耗计算结果保存在功耗报告文件中。若不指定该文件则会在当前工作路径下保存默认功耗报告文件。
Output PPF File：用户指定的PPF文件名和路径。PPF文件可作为PPP的工程文件，记录了PPC计算功耗中所有的参数和数据。若不指定则在当前工作路径下保存默认文件。
点击Next按钮进入参数配置界面。
2、详细参数配置界面，如下图所示。

图 8 PPC详细参数配置界面

该界面中有4个Tab页面分别为Device Settings、Environment、Power Rail、Default Activity Rate。
Device Settings：器件参数，灰色表示只读，不可改变。
Environment：环境参数，包括温度、散热情况、空气热阻等。
Power Rail：电源电压参数，单位为伏特(V)。
Default Activity Rate：默认的信号翻转情况和时钟频率。
点击Run按钮执行PPC功耗计算，会弹出一个进度条指示PPC计算功耗的进度情况。当计算完成之后进度条消失，出现PPC功耗的功耗报告窗口如下图所示：

注：
PPC所有文件所在文件夹名：只允许字母数字下划线（_）杠（-）点（.）@ 和空格（），但空格不能出现在路径名首尾；

文件名：只允许字母数字下划线（_）杠（-）点（.）。

点击Run后，PPC即开始进行功耗计算，此时会弹出一个包含进度条和输出窗口的对话框，如图9所示：

图 9 PPC功耗计算窗口
进度条显示当前功耗计算的完成度，而下边的输出窗口用来输出打印信息，在功耗计算结束后，用户可以查看计算中是否有错误或者警告产生，点击Close按钮将关闭该对话框，点击OK按钮将进入主界面，显示如图10所示的功耗报告界面。

图 10 PPC界面的功耗报告
窗口的左边是索引窗口，索引包括Setting、Summary、Device三个选项，如下图所示：

图 11 功耗报告的索引窗口
2）Setting页面
点击Setting选项打开的页面可以看到用户在Configure界面所进行的设置，如下图所示：

图 12 Setting 界面
3）Summary页面
在Summary页面上，用户可以查看整体的功耗信息。如图所示：

图 13 Summary 界面
Power Summary页面简明的显示了芯片功耗和温度的相关情况，包括总的片上功耗，静态功耗，外部功耗，结点温度等。
Logic Device Summary页面显示了不同资源的功耗及各个资源功耗所占总功耗的比例。
Power Rail Summary面板显示了不同电源的电流值及估算出的功耗值。
这个页面中的所有数据都是不可编辑的只读数据，这些数据反映了用户设计的功耗和分布情况。
4）Device页面
Device下的选项对应芯片中各类资源的配置和功耗计算数据页面。主要包括：Clock、DRM、CLM、IO、APM、PLL和Net等。本列只显示被使用了的资源的信息，未使用的资源将不会显示。点击这些选项可以查看这些资源的使用情况和功耗数据，如下图所示为DRM的数据页面。