Оценка потребляемой мощности цифровых устройств, проектируемых на базе ПЛИС фирмы Xilinx в среде САПР WebPACK ISE

Компоненты и технологии, № 9'2002 Софт

Оценка потребляемой мощности цифровых устройств,

проектируемых на базе ПЛИС фирмы ХНшх в среде САПР WebPACK !БЕ

Валерий Зотов

walerry@euro.ru

В предыдущих публикациях цикла [1-11] рассмотрены основные этапы проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Xilinx в среде САПР WebPACK™ ISE™ (Integrated Synthesis Environment). В ходе разработки устройства часто необходимо также решить еще одну задачу — рассчитать мощность, потребляемую кристаллом, на основе которого реализуется проект. Этот параметр чрезвычайно важен при использовании ПЛИС семейств CPLD (Complex Programmable Logic Device) — CoolRunner XPLA3 и CoolRunner-II XPLA3. Кристаллы этих серий относятся к классу ПЛИС с микромощным потреблением и предназначены, в первую очередь, для применения в мобильных системах, где емкость автономного источника питания ограничена. Поэтому необходимо оценить продолжительность работы проектируемого устройства в зависимости от ресурса используемого автономного источника питания. При проектировании цифровых устройств на базе кристаллов семейств FPGA (Field Programmable Gate Array), таких, как Spartan-II, Spartan-IIE, Virtex, Virtex-II, Virtex-E, Virtex-II Pro, задача расчета потребляемой мощности тоже актуальна. Потребляемая мощность ПЛИС этих серий в динамическом режиме зависит от проектов, выполняемых на их основе, и может изменяться в широком диапазоне, достигая значительной величины. Чтобы корректно сформулировать требования, предъявляемые к источнику питания этих устройств, необходимо иметь оценку их потребляемой мощности. Для этих целей в состав системы проектирования WebPACK ISE включен программный модуль XPower, который предназначен для автоматизированного расчета потребляемой мощности устройств. Эта программа может быть запущена как автономно (непосредственно из операционной системы Windows), так и в среде управляющей оболочки пакета WebPACK ISE — Навигатора проекта. Программный модуль XPower может функционировать в интерактивном режиме и в режиме командной строки. Наиболее рациональным является запуск программы XPower в интерактивном режиме с помощью Навигатора проекта.

Исходная информация об используемых ресурсах кристалла, необходимая для оценки его потребляемой мощности с помощью программы XPower, ста-

новится доступной только после завершения этапа размещения и трассировки проекта, а точнее, после выполнения стадии Fit для семейств CPLD [4] и Place and Route для семейств FPGA [7]. Кроме того, дополнительная информация, которая используется в процессе вычислений и может повысить точность оценки, формируется в ходе выполнения этапа полного (временного) моделирования проекта [11]. Система HDL-моделирования ModelSim [9-11], входящая в комплект пакета WebPACK ISE в редакции ModelSim XE Starter, позволяет формировать файлы результатов моделирования в формате VCD (Value Change Dump), воспринимаемом программой XPower.

Прежде чем приступить к изучению процедур анализа потребляемой мощности с помощью программы XPower, рассмотрим структуру и назначение элементов ее пользовательского интерфейса.

Пользовательский интерфейс программы XPower

Вид основного окна программы анализа потребляемой мощности XPower показан на рис. 1 для случая анализа проекта, реализуемого на базе ПЛИС семейств CPLD. Кроме стандартных элементов визуального оконного интерфейса операционной системы Windows (строки заголовка, основного меню, оперативной панели управления и строки состояния) основное окно программы включает в себя четыре панели:

• панель обозревателя отображаемых данных, расположенную в левой части рабочей области основного окна XPower,

• итоговую панель, представляющую значения исходных статических параметров и общие результаты анализа потребляемой мощности, и занимающую правую часть рабочей области основного окна,

• панель редактирования значений исходных динамических параметров эквивалентной модели, используемой для расчета потребляемой мощности и отображения подробных результатов выполняемого анализа, расположенную под итоговой панелью;

• панель консольных сообщений, находящуюся в нижней части рабочей области основного окна XPower.

Компоненты и технологии, № 9'2002

Рис. 1. Вид основного окна программы анализа потребляемой мощности устройства, проектируемого на базе ПЛИС семейств CPLD

Панель обозревателя представляет структуру отображаемых данных, сгруппированных по типу элементов проекта, к которым они относятся, или в соответствии с физическими ресурсами используемого кристалла. Каждая группа данных в этой панели показана в виде папки с соответствующим названием. Для просмотра содержимого группы данных в панели обозревателя следует поместить курсор мыши на знак «+», расположенный слева от изображения соответствующей папки, и щелкнуть левой кнопкой мыши. Тот же результат может быть достигнут двойным щелчком левой кнопки мыши непосредственно на изображении папки. Изначально, при активизации программы XPower, в панели обозревателя отображаются две папки: Data Views и Reports. Чтобы получить доступ к структуре отображаемых данных, необходимо открыть папку Data Views. В этом разделе находится единственная папка, название и содержание которой зависит от выбранной формы представления информации. В режиме классификации данных по типу, в соответствии с которой в каждой папке сосредоточена информация, относящаяся ко всем элементам проекта соответствующего типа (например, сигналам, логике, выходам), раздел Data Views содержит папку Types. Этот режим отображения информации установлен по умолчанию. При классификации данных по физическому принципу, когда каждая группа содержит всю информацию, относящуюся к определенному физическому ресурсу кристалла (например, функциональному или конфигурируемому логическому блоку), в разделе Data Views содержится папка Physical. В процессе анализа устройств, реализуемых на базе ПЛИС семейств FPGA, может использоваться иерархический принцип классификации, при котором информация группируется в соответствии с иерархией проекта.

В этом случае раздел Data Views содержит папку Hierarchy. Выбор режима классификации отображаемых данных осуществляется с помощью команды Data Views, расположен--------------------www.finestreet.ru -

ной во всплывающем меню View программы XPower. Содержание одноименных папок зависит от семейства кристаллов, используемого для реализации проекта.

В итоговой панели отображаются значения следующих исходных параметров, используемых при расчете потребляемой мощности: напряжение питания (VccInt), температура окружающей среды (Ambient Temperature) и емкость батареи питания (Battery Capacity) (только для проектов, реализуемых на основе ПЛИС семейств CPLD). Каждое из этих значений представлено в соответствующем поле редактирования и поэтому может оперативно корректироваться разработчиком. В этой же панели выводятся следующие результаты, полученные при вычислении оценки потребляемой мощности кристалла: значение потребляемой мощности в статическом режиме (Quiescent Power), значение температуры транзисторов кристалла (Junction Temperature), значение потребляемой мощности, приходящейся на функциональные блоки ПЛИС (Logic Block Power), значение потребляемой мощности, соответствующей выходным цепям проекта (Outputs Power), продолжительность работы устройства до замены батареи питания (Battery Life) (только для проектов на базе ПЛИС семейств CPLD), значение полной потребляемой мощности проектируемого устройства (Total Power). При анализе проектов, реализуемых на основе кристаллов FPGA, дополнительно отображается значение потребляемой мощности, которая приходится на сигнальные цепи Signals Power и цепи синхронизации Clocks Power проекта.

Содержание панели редактирования значений исходных динамических параметров эквивалентной модели, используемой для расчета потребляемой мощности кристалла, определяется элементом, который выбран в окне обозревателя отображаемых данных. При запуске программы XPower эта панель может находиться в скрытом состоянии. Чтобы сделать ее видимой, достаточно выделить какой-либо из элементов панели обозревателя.

Информация в панели редактирования отображается в форме таблицы, часть ячеек которой представляет собой поле редактирования соответствующих исходных параметров модели. Если в панели обозревателя выделена вся группа параметров (папка), то число строк в таблице определяется количеством элементов в соответствующей папке. При выделении одного элемента информационной группы в панели обозревателя таблица, отображаемая в панели редактирования значений исходных параметров модели, содержит единственную строку, соответствующую выбранному ресурсу. Каждый из столбцов таблицы соответствует определенному параметру элемента проекта или ресурса кристалла (в частности, цепи или сигнала). В первой колонке отображается название элемента или ресурса (Name), во второй — источник сигнала для этого ресурса (Sources), в третьей — нагрузка (Loads), в четвертой — частота (Frequency), в пятой — емкость нагрузки (Capacitive Load) и в последней — оценка потребляемой мощности (Power). Кроме того, рассматриваемая панель используется также для вывода отчета о результатах выполненных вычислений.

В консольной панели основного окна фиксируются выполняемые команды и все сообщения программы XPower, которые появлялись в текущем сеансе работы.

Оценка потребляемой мощности в проектах, реализуемых на базе ПЛИС семейств CPLD

Для оценки мощности, потребляемой разрабатываемым устройством в динамическом режиме, необходимо указать следующую информацию:

• значения емкостей, входящих в состав эквивалентной нагрузочной модели кристалла;

• значения емкостей нагрузки, подключаемой к выходным цепям;

• напряжение питания проектируемого устройства;

• температуру окружающей среды;

• значения частот интерфейсных и внутренних сигналов проектируемого устройства. Первые четыре из перечисленных выше исходных параметров определяются достаточно легко. Указать значения частот всех используемых в эквивалентной модели сигналов значительно сложнее. Программа XPower позволяет использовать три метода определения частот сигналов, используемых при расчете потребляемой мощности. Первый способ заключается в том, что для всех цепей эквивалентной емкостной модели «вручную» задаются максимальные значения частот сигналов, которые соответствуют наихудшему случаю с точки зрения потребляемой мощности. Второй метод основан на использовании информации, полученной в процессе выполнения этапа полного (временного) моделирования проектируемого устройства. При этом точность оценки потребляемой мощности будет тем выше, чем полнее тестовые воздействия соответствуют реальным режимам работы устройства. Третий метод, смешанный, сочетает в себе два первых: загрузку инфор-

е

Компоненты и технологии, № 9'2002

мации, полученной в результате временного моделирования, и ее «ручную» корректировку и дополнение. Далее будет рассмотрена последовательность необходимых операций, выполняемых при использовании первого и второго методов ввода исходных данных.

Для запуска программы следует в окне исходных модулей Навигатора проекта щелчком левой кнопки мыши выделить строку, в которой указано название файла, содержащего описание верхнего уровня иерархии проекта. После этого в списке этапов проектирования, отображаемом в окне процессов Навигатора проекта, необходимо развернуть содержимое этапа реализации (Implement Design) и его фазы размещения и трассировки в кристалл (Fit), если используется сжатая форма представления информации. Для этого нужно последовательно щелкнуть левой кнопкой мыши на значках «+», расположенных в строках «Implement Design» и «Fit». Запуск программных средств анализа потребляемой мощности осуществляется двойным щелчком левой кнопки мыши на строке «Analyze Power (XPower)» (рис. 2).

Рис. 2. Вид рабочей области Навигатора проекта при разработке устройства на базе ПЛИС семейств CPLD

В результате выполнения указанных операций на экран дисплея выводится основное окно программы XPower (рис. 1). При этом в итоговой панели уже содержатся оценки мощности, потребляемой проектируемым устройством в статическом режиме, которые получены в результате вычислений при значениях исходных параметров, установленных по умолчанию. Так как значения частот сигналов для цепей модели при запуске программы XPower не определены и по умолчанию считаются нулевыми, то оценки мощности, потребляемой в динамическом режиме, также являются нулевыми. При этом интегральная оценка потребляемой мощности соответствует статическому режиму.

Для получения достоверной оценки потребляемой мощности проектируемого устройства следует ввести значения напряжения

питания, температуры окружающей среды, частот всех сигналов и емкости нагрузки, подключаемой к его выходам, которые должны соответствовать реальным режимам его работы. Вначале рассмотрим «ручной» способ определения значений перечисленных исходных параметров.

Изначально в поле редактирования значения напряжения питания, расположенном в итоговой панели, отображается значение, принятое по умолчанию для используемого семейства ПЛИС. Для кристаллов серии CoolRunner XPLA3 эта величина составляет 3,3 В. Чтобы изменить значение напряжения питания кристалла, следует активизировать в итоговой панели поле редактирования VccInt(V) (рис. 1), поместив на него курсор мыши и щелкнув левой кнопкой. После этого нужно ввести с клавиатуры требуемое значение. Следует обратить внимание на то, что задаваемая величина напряжения питания не должна выходить за пределы допустимого диапазона, указанного в справочных данных для используемого кристалла. Если введенное значение выходит за рамки диапазона, рекомендованного для выбранного типа ПЛИС, то в панели консольных сообщений выводится соответствующее предупреждение, например:

WARNING:Power:76 — VccInt <4.0> not in recommended range [2.7..3.6]V.

Если после ввода числа будет нажата клавиша «ENTER» или активизировано поле редактирования следующего параметра, то автоматически запускается процесс вычислений, результаты которого сразу же отображаются в итоговой панели.

Значение температуры окружающей среды, используемое по умолчанию, равно 25 °C. Для изменения значения этого параметра необходимо активизировать в итоговой панели поле редактирования Ambient Temperature (C) (рис. 1), после чего, используя клавиатуру, указать температуру окружающей среды, при которой должно эксплуатироваться проектируемое устройство. Допустимый диапазон изменения этого параметра зависит от типа используемого кристалла. При вводе значения, выходящего за пределы рекомендуемого диапазона, в панели консольных сообщений выводится соответствующее предупреждение, например:

WARNING:Power:200 — Ambient Temperature <-47.0> not in recommended range [-45..80]C.

Для оценки времени функционирования проектируемого устройства при ограниченном ресурсе автономного источника питания необходимо указать емкость используемого элемента (батареи питания). По умолчанию значение этого параметра принимается равным 5700 мА-ч. Чтобы изменить значение емкости батареи питания, следует активизировать поле редактирования Battery Capacity (mA Hours), которое расположено в итоговой панели (рис. 1). После этого с помощью клавиатуры вводится новое значение емкости (в мА-ч), которое соответствует применяемому элементу питания.

Далее необходимо определить частоту тактовых сигналов разрабатываемого устройства. Для этого следует в панели обозревателя выделить папку Clocks, поместив курсор мыши на ее изображение или строку с ее названием и щелкнув левой кнопкой мыши. После этого в панели редактирования значений исходных параметров модели отображается таблица, в первом столбце которой представлены названия всех тактовых сигналов проектируемого устройства. Чтобы задать значение частоты тактового сигнала, нужно активизировать соответствующую ячейку в колонке Frequency(MHz), после чего, используя клавиатуру, ввести требуемое число (в МГц).

Следующим шагом в процессе «ручного» ввода исходных данных, необходимых для расчета оценки потребляемой мощности, является определение частот остальных сигналов проекта. Для этого нужно в панели обозревателя выбрать папку Signals, после чего в панели редактирования значений исходных параметров модели выводится таблица, в первом столбце которой представлены названия всех сигналов, частота которых оказывает влияние на потребляемую мощность проектируемого устройства. Далее необходимо для каждого сигнала в таблице указать значение частоты, поочередно выполнив ту же последовательность операций, что и при вводе частот тактовых сигналов. Если частота сигнала изменяется в зависимости от режима работы устройства, следует задавать значение для наихудшего случая с точки зрения потребляемой мощности.

Процедура ввода значений исходных параметров модели, используемой для оценки характеристик потребляемой мощности, завершается определением величин емкостной составляющей нагрузки, прикладываемой к выходам разрабатываемого устройства. По умолчанию емкость внешней нагрузки полагается равной 10 пФ. Для изменения емкости нагрузки, подключаемой к выходам проектируемого устройства, следует в панели обозревателя выбрать папку Output Loads, в результате чего в панели редактирования значений исходных параметров эквивалентной модели будет выведена таблица, в первой колонке которой отображаются названия всех выходных цепей проекта. Чтобы установить новое значение емкости внешней нагрузки, нужно для соответствующего выхода активизировать ячейку в колонке Capacitive Load(fF), после чего, используя клавиатуру, ввести требуемое численное значение емкостной составляющей (в пФ).

Рассмотрим теперь второй способ определения значений исходных параметров, основанный на использовании результатов этапа полного временного моделирования проектируемого устройства. Прежде всего, необходимо в процессе моделирования сформировать файл результатов в формате VCD. Для этого командный файл, выполняемый автоматически при вызове программы моделирования ModelSim (он имеет расширение tdo), должен содержать следующую последовательность команд:

Компоненты и технологии, № 9'2002

vcd file <название_файла>.VCD

vcd on

vcd add testbench/uut/*

Так как файл с расширением tdo автоматически формируется средствами пакета WebPACK ISE, и редактировать его не рекомендуется, то указанную последовательность команд следует поместить в командный файл с расширением udo. Этот файл предназначен для размещения команд управления ModelSim, задаваемых разработчиком, и вызывается в процессе выполнения командного файла tdo, который создается автоматически. Название пользовательского командного файла (с расширением udo) совпадает с именем тестового файла проекта. Он расположен в рабочем каталоге проекта и имеет текстовый формат. Для записи в этот файл команд, указанных выше, можно использовать любой текстовый редактор.

Для использования информации, которая записана в файле формата VCD, в процессе вычисления оценок потребляемой мощности следует открыть этот файл в программе XPower, выбрав команду Open Simulation File из всплывающего меню File. После активизации этой команды на экран выводится стандартное диалоговое окно открытия файла, в котором нужно выбрать название требуемого файла. При необходимости, значения исходных параметров, сформированные на основании данных из файла VCD, можно скорректировать, используя процедуры «ручного» ввода, рассмотренные выше.

Процесс определения значений исходных параметров может потребовать ощутимых временных затрат. Поэтому, чтобы воспользоваться введенными данными в последующих сеансах работы с программой XPower, следует сохранить их на диске в виде файла. Для этого следует выбрать команду Save Settings File из всплывающего меню File или нажать кнопку на оперативной панели программы XPower. При этом введенные значения параметров и полученные результаты вычислений сохраняются в файле с расширением xml. Название этого файла состоит из имени файла, представляющего модуль верхнего уровня иерархии исходного описания проекта, и последовательности символов _xpwr. Для сохранения информации в файле с произвольным названием следует воспользоваться командой Save Settings As из всплывающего меню File. При активизации этой команды на экран выводится стандартное диалоговое окно сохранения файла, в котором следует выбрать требуемое название из списка имеющихся или ввести его, используя клавиатуру. Чтобы загрузить сохраненные данные из файла, следует выполнить команду Open Settings File, которая находится во всплывающем меню File. При выполнении этой команды отображается стандартное диалоговое окно открытия файла, в котором следует выбрать название нужного файла.

Как уже говорилось выше, после ввода каждого нового значения исходных параметров программа XPower выполняет автоматический пересчет всех выходных характеристик.

Поэтому окончательные результаты анализа, выполняемого программой XPower, становятся доступными практически сразу после завершения процесса ввода исходных данных, не требуя никаких дополнительных действий. Обобщенные результаты вычислений отображаются в итоговой панели. Для просмотра более детальных результатов анализа следует воспользоваться панелью обозревателя, которая позволяет выбрать необходимую информацию для просмотра вместе с исходными значениями в панели редактирования. Чтобы увидеть оценки потребляемой мощности, приходящейся на глобальные цепи кристалла, следует в панели обозревателя выбрать папку Global Resources. Значения потребляемой мощности, полученные в результате вычислений, представлены в колонке Power(mW) таблицы, которая отображается в панели редактирования исходных параметров. Для просмотра оценок потребляемой мощности, приходящейся на другие ресурсы кристалла, нужно выделить папку Function Blocks в панели обозревателя. Информация о потребляемой мощности, соответствующей выходным цепям, отображается в панели редактирования после выбора в панели обозревателя папки Output Loads.

Более детальные характеристики потребляемой мощности различными ресурсами кристалла, используемыми для реализации проектируемого устройства, представлены в отчете, который формируется программой XPower. Средства управления этой программы позволяют выбрать степень детализации генерируемого отчета. По умолчанию используется стандартный формат отчета. Для переключения в режим формирования детального отчета следует выбрать команду Preferences из всплывающего меню Edit программы XPower. При этом на экран выводится диалоговая панель, показанная на рис. 3.

Рис. 3. Страница General диалоговой панели, представляющей параметры конфигурации программы XPower

В этой диалоговой панели следует открыть страницу General, поместив курсор на закладку с ее названием и щелкнув левой кнопкой мыши. Далее на этой странице нужно щелкнуть левой кнопкой мыши на изображении кнопки Detailed Report. Выполненные изменения параметров конфигурации программы XPower вступают в силу после нажатия клавиши ОК в нижней части диалоговой панели (рис. 3).

Чтобы сформировать отчет и просмотреть его в панели редактирования, необходимо от-

крыть папку Reports в окне обозревателя, дважды щелкнув левой кнопкой мыши на ее изображении. Затем следует выбрать строку Power Report. При этом отчет не только выводится на экран, но и автоматически записывается в файл с расширением pwr. Этот файл

Release 4.2WP0.x - XPower SoftwareVersion:E.35 Copyright (c) 1995-2001 Xilinx, Inc. All rights reserved.

Design: jc2_top

VCD File: F:\project\jc2_sch\jc2_top1.VCD

Device: XCR3032XL-5PC44

Vccint: 3.30V

Default Ext. Load: 10.00pF

Data version: FINAL,1.0

Power Data By Physical Layout - Elements sorted by type/name.

This Element This Catagory Current Power Current Power

Global Resources Global Clk : clk

Zia

Zia : FB1_ZIA_FB1_1_N

Zia : FB1_ZIA_FB1_9_N

Output Loads Ext. Load : q<0>

0.148 0.487

0.030 0.099

0.000 0.000

0.153 0.506

Function Block : FB1 LB Clk Mux : FB1_LBCLK_clk P-Term : FB1_PT0

Macrocell : FB1_1 (q<0>) OBuf : FB1_1_O Register : FB1_1_FF Fb Mux : FB1_1_N Or : FB1_1_OR

0.148 0.487

0.183 0.604

0.728 2.404

2.036 6.718

0.694

0.002

2.289

0.006

0.258 0.851

0.202 0.668 0.031 0.102

0.025 0.081

0.000 0.000

Summary of highest current consuming signals:

Current

q<1> (FB1_2) 0.315 1.039

q<2> (FB1_3) 0.315 1.039

q<3> (FB1_5) 0.315 1.039

q<0> (FB1_1) 0.258 0.851

left (FB1_6) 0.025 0.082

right (FB1_7) 0.015 0.049

stop (FB1_8) 0.015 0.049

Power summary:

Current

Global Resources : 0.148 0.487

Zia : 0.183 0.604

Output Loads : 0.728 2.404

Function Block : FB1 : 2.036 6.718

Quiescent : 0.027 0.089

Total : 3.122 10.302

Battery summary:

Battery capacity : 5700.000 mA-hours

Estimated battery life: 1825.8 hours

Thermal summary:

Estimated junction temperature: 25.0C

Ambient temp: 25.0C

Theta J-A: 51.0C/W

Analysis completed: Thu Nov 14 02:23:19 2002

Рис. 4. Сокращенный вариант отчета о результатах анализа потребляемой мощности проекта счетчика Джонсона, реализованного на базе кристалла XCR3032XL-5PC44

Є

Компоненты и технологии, № 9'2002

имеет текстовый формат и поэтому может быть просмотрен с помощью любого текстового редактора. Следует обратить внимание на то, что при изменении значений исходных данных новый отчет записывается в тот же файл вместо старого. Поэтому для дальнейшего использования отчета его файл следует переименовать «вручную», используя средства операционной системы Windows.

Структура отчета включает в себя шесть секций. В первой секции указывается название анализируемого проекта, тип кристалла, напряжение источника питания и температура окружающей среды, а также емкость нагрузки, устанавливаемой по умолчанию. Во втором разделе приводятся оценки потребляемой мощности для всех сигналов и ресурсов ПЛИС. Третья секция отчета представляет обобщенные оценки потребляемой мощности для всех интерфейсных сигналов верхнего уровня иерархии проекта, исключая тактовые, и ресурсов кристалла. В четвертом разделе приводятся характеристики батареи питания: емкость и продолжительность непрерывной работы проектируемого устройства. Пятая секция представляет температурные характеристики кристалла — значения температуры окружающей среды, транзисторов кристалла и теплового сопротивления «кристалл — окружающая среда». В шестом разделе указываются дата и время генерации отчета. В качестве примера на рис. 4 приведен сокращенный вариант отчета о результатах анализа потребляемой мощности для проекта счетчика Джонсона, рассмотренного в [2-8], реализованного на базе кристалла ХСИ3032ХЬ-5РС44.

jJ xj

1 Sources in Project:

В 0 jcount

[£) readme

В О xc2v40-5fg256-XST VHDL

I^H=a Г-.1 ННшв

0 jc2_teslvhd

*£ Module View» I д Snap she* View ({[j Library View |

d*J

Processes for Current Source:

ffl

6-

GB j? Design Entry Utilities

83 Synthesize

B Implement Design

T ranslate Map

Place &Route [?) g/ Place & Route Report [e) g/ Asynchronous Delay Report Pad Report

О Genefate Post-Place 8t Route Static Tim

О View/Edit Placed Design

П

Analyze Power (XPower]

Q Genetate Post-Place & Route SmJabor

О Geneiate IBIS Model

О Mu** Pass Place I Route

Q Back-annotate Pin Locations

bb О Generate Programming Fie

<1^ - -----

•it Process View

Рис. 5. Вид рабочей области Навигатора проекта при разработке устройства на базе ПЛИС семейств FPGA

Оценка потребляемой мощности в проектах, реализуемых на базе ПЛИС семейств РРЭД

Вычисление оценок потребляемой мощности устройств, разрабатываемых на базе ПЛИС семейств БРОЛ, производится на основании тех же групп исходных данных,

что и для проектов, выполняемых на основе кристаллов семейств CPLD. При этом для ПЛИС семейств FPGA используются методы и последовательность определения значений исходных параметров эквивалентной модели, которые подробно рассмотрены в предыдущем разделе. Поэтому далее остановимся только на отличиях в процессе работы с программой анализа потребляемой мощности для проектов, реализуемых на базе ПЛИС семейств FPGA.

Перед активизацией программы XPower рекомендуется выполнить этап полного временного моделирования (Simulate Post-Place & Route VHDL Model), результаты которого можно использовать в процессе анализа потребляемой мощности. При этом в программе

Рис. 6. Вид основного окна программы анализа потребляемой мощности устройства, проектируемого на базе ПЛИС семейств FPGA

ModelSim должен быть включен режим сохранения данных моделирования в формате VCD. Последовательность операций, необходимая для этого, рассмотрена в предыдущем разделе.

Для запуска программы XPower в среде управляющей оболочки пакета WebPACK ISE необходимо в окне процессов Навигатора проекта добиться развернутой формы представления этапа реализации (Implement Design) и его фазы размещения и трассировки в кристалл (Place & Route), поочередно щелкнув левой кнопкой мыши на значках «+», расположенных в строках «Implement Design» и «Place & Route». Затем нужно дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на строке «Analyze Power (XPower)» (рис. 5).

Release 4.2WP0.x - XPower SoftwareVersion:E.35 Copyright

Total estimated power consumption 116

Vccint 1.5V: l5 113

Vcco 3.3V: 1 3

Nets: О О

Logic: О 1

Outputs: 2 3

Quiescent: Thermal summary: l5 113

Estimated junction temperature: 28C Ambient temp: 25C Theta J-A: 25C/W

Power details:

Clocks: 1 Loads C

xlxn_1l 3 О 44.2 О.О О.1

Nets: 15 Loads C

q_int2 31 5.8 О.О О.О

q_int1 3 1 5.8 О.О О.О

q_int3 31 5.8 О.О О.О

qjin^ 31 4.6 О.О О.О

xlxn 24 2 О 2.3 О.О О.О

xlxn_23 2 О 1.2 О.О О.О

xlxn_25 1 О 1.2 О.О О.О

dir 52 О.О О.О О.О

dir_reg1/ad 1 О 1.5 О.О О.О

jcounter/N4 1 О 5.2 О.О О.О

Logic: 16 C

i6 4 44.2 О.3 О.4

i9 4 2.3 О.О О.О

jcounter/i_q1 1 5.8 О.О О.О

jcounter/i_q2 1 5.8 О.О О.О

jcounter/i_q3 1 5.8 О.О О.О

jcounter/i_q0 1 4.6 О.О О.О

il 4 1.2 О.О О.О

Outputs: 4 Loading

i16 1О 1 5.8 О.2 О.1

i1l 1О 1 5.8 О.2 О.1

i18 1О 1 5.8 О.2 О.7

i15 1О 1 4.6 О.2 О.6

Analysis completed: Thu Nov 14 ОО:55:39 2ОО2

Рис. 7. Отчет о результатах анализа потребляемой мощности для проекта счетчика Джонсона, реализованного на базе кристалла 2v40fg256-5

Компоненты и технологии, № 9'2002

После этого на экране отображается основное окно программы XPower, вид которого приведен на рис. 6. Содержание панели обозревателя и итоговой панели отличается от того, что мы видели при анализе проектов, выполняемых на базе ПЛИС семейств CPLD. В итоговой панели отсутствуют характеристики автономного источника питания и добавлены такие параметры, как суммарная потребляемая мощность, которая приходится на сигнальные цепи Signals Power и цепи синхронизации Clocks Power проекта. Папки, отображаемые в панели обозревателя, представляют характеристики эквивалентной модели, сгруппированные в соответствии с архитектурными особенностями кристаллов семейств FPGA.

Значения исходных параметров, используемых для расчета оценок потребляемой мощности, задаются так же, как и при анализе проектов, разрабатываемых на базе ПЛИС семейств CPLD. Только для определения значений емкости нагрузки, подключаемой к выходным цепям, следует в панели обозревателя выбрать папку Outputs.

Структура формируемого отчета включает в себя пять секций. В первой секции указывается название анализируемого проекта и тип кристалла, используемый для его реализации.

Во втором разделе приводятся обобщенные оценки потребляемой мощности для проекта в целом, а также значения напряжения источника питания кристалла. Третья секция отчета представляет температурные характеристики кристалла, используемого для реализации

проекта — значения температуры окружающей среды, транзисторов кристалла и теплового сопротивления «кристалл — окружающая среда». В четвертом разделе приводятся значения частот, нагрузки и мощности для всех цепей проекта. В последнем разделе указываются дата и время генерации отчета. В качестве примера, на рис. 7 приведен отчет о результатах анализа потребляемой мощности для проекта счетчика Джонсона [2-8], реализованного на базе кристалла 2v40fg256-5.

В заключение следует обратить внимание на то, что результаты вычислений, выполняемых программой XPower, носят оценочный характер. Их точность зависит от степени соответствия значений исходных данных реальным режимам функционирования проектируемого устройства. ИМИ

Литература

1. Зотов В. WebPACK БЕ — свободно распространяемый пакет проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы ХДтх // Компоненты и технологии. 2001. № 6.

2. Зотов В. WebPACK КЕ: Интегрированная среда разработки конфигурации и программирования ПЛИС фирмы ХШпх. Создание нового проекта // Компоненты и технологии. 2001. № 7.

3. Зотов В. Схемотехнический редактор пакета WebPACK БЕ. Создание принципиальных схем и символов // Компоненты и технологии. 2001. № 8.

4. Зотов В. Синтез, размещение и трассировка проектов, реализуемых на базе ПЛИС СРЬБ фирмы ХШпх, в САПР WebPACK КЕ // Компоненты и технологии. 2002. № 1.

5. Зотов В. Программирование ПЛИС семейств CPLD фирмы ХДтх в САПР WebPACK КЕ. // Компоненты и технологии. 2002. № 2.

6. Зотов В. Синтез проектов, реализуемых на базе ПЛИС FPGA фирмы ХШпх, в САПР WebPACK КЕ // Компоненты и технологии. 2002. № 3.

7. Зотов В. Реализация проектов на базе ПЛИС семейств FPGA фирмы ХШпх в САПР WebPACK КЕ // Компоненты и технологии. 2002. № 4.

8. Зотов В. Конфигурирование ПЛИС семейств FPGA фирмы ХШпх в САПР WebPACK КЕ // Компоненты и технологии. 2002. № 5.

9. Зотов В. ModelSim — система HDL-моделирования цифровых устройств // Компоненты и технологии. 2002. № 6.

10.Зотов В. Функциональное моделирование цифровых устройств, проектируемых на базе ПЛИС фирмы ХШпх в среде САПР WebPACK КЕ // Компоненты и технологии. 2002. № 7.

11.Зотов В. Временное моделирование цифровых устройств, проектируемых на базе ПЛИС фирмы ХШпх в среде САПР WebPACK КЕ // Компоненты и технологии. 2002. № 8.

е