FPGA低功耗设计技术

FPGA低功耗设计
北京理工大学雷达技术研究所
陈禾

本节内容
数字电路的功耗 低功耗设计技术 低功耗FPGA设计

CMOS电路的功耗来源
在数字CMOS电路中，功耗是 由三部分构成的： PTotal= Pdynamic + Pshort + Pleakage
VDD
PMOS Id out
其中Pdynamic是电路翻转时 in 产生的动态功耗，Pshort是 P管和N管同时导通时产生 的短路功耗，Pleakage是由 扩散区和衬底之间的反向 偏置漏电流引起的静态功 耗。
NMOS
Ishort
Ileakage
CL
VSS

CMOS电路的功耗来源
静态功耗
CMOS在静态时，P、N管只有一个导通。 由于没有Vdd到GND的直流通路，所以 CMOS静态功耗应当等于零。但在实际当 中，由于扩散区和衬底形成的PN结上存 在反向漏电流，产生电路的静态功耗。 静态功耗为：
Ps = × ∑ (反向电流 I ）（电流电压
i n
Vdd）
其中：n为器件个数。

CMOS电路的功耗来源
动态功耗
CMOS电路在“0”和“1”的跳变过程中， 会形成一条从VDD通过P管网络和负载 电容到地的电流Id对负载电容进行充 电，产生动态功耗Pdynamic： Pdynamic=KCLVDD2f 其中K是在单位时间内的平均上跳次 数，f是时钟频率。

CMOS电路的功耗来源
短路功耗
CMOS电路在“0”和“1”的转换过程中， P、N管会同时导通，产生一个由VDD到 VSS窄脉冲电流，由此引起功耗。 在输入波形为非理想波形时，反相器处 于输入波形上升沿和下降沿的瞬间，负 载管和驱动管会同时导通而引起功耗。

CMOS电路的功耗来源
通常情况下静态功耗占总功耗的1%以下，可以忽略不 计，但如果整个系统长时间处于休眠状态，这部分功 耗需要进行考虑。 短路功耗在整个CMOS电路的功耗中只占很小的一部 分，对于转换时间非常短的电路，Pshort所占的比例可 以很小，但对于一些转换速度较慢的电路Pshort可以占 到30%左右，平均大约在10%左右。 一般情况下，动态功耗Pdynamic占整个功耗的比例大约 为70%~90%。 有些文献将CMOS电路的功耗简单的分为两类：静态 功耗和动态功耗。

影响功耗的因素
从动态功耗的表达式可看出，在不影响 电路性能，即不降低工作频率的前提 下，功耗主要取决于3个因素：工作电 压、负载电容、开关活动性。 因此功耗优化主要从减小K、CL和VDD 三方面着手。 值得注意的是功耗优化是一个整体，单 单考虑某一方面是不够的。

影响功耗的因素
电源电压的选择
降低电源电压将使功耗下降，但是对于一定的 工艺水平（具有确定的阈值电压），降低电源 电压将使电路性能下降，当电源电压降低到接 近P和N管的阈值电压之和时延迟时间急剧增大。 而在较大的电压下，电路速度几乎与电源电压 无关。 为提高速度，希望在保证器件可靠性的前提下 采用尽可能高的电压，为降低功耗，又希望选 择尽可能低的电压。要解决这个矛盾，可以在 一个芯片内采用多种电压，对影响速度的关键 电路选择较高的电压，对大部分非关键电路则 选择用减低的电压。

影响功耗的因素
负载电容
在CMOS电路中电容主要由两方面构成：一方 面是器件栅电容和节电电容，它们和器件工艺 有关。另一方面是连线电容。 改进电路结构，减少所需MOS管数目是减小负 载电容、降低功耗的重要途径。采用动态 CMOS电路可简化电路。另外采用互补传输晶 体管逻辑（CPL），不仅可以简化电路，还可提 高速度，是选择之一。 值得注意的是随着工艺的发展，布线电容已经 超过器件电容。为了减小电容，在工艺方面可 以选择小的器件，物理设计时减小连线长度。

影响功耗的因素
开关活动性
在CMOS电路中，功耗和开关活动性息息相关。 若信号活动性为0，即使负载电容很大，它也不 消耗能量。开关活动性和数据频率f和开关活动 率k有关，f描述单位时间内信号到达节点的次 数，而活动率k则描述到达节点时信号的翻转几 率。 值得注意的是在有些CMOS电路中，伪跳变占 据了相当一部分开关活动性，由于此类信号没 有任何作用，因此它造成系统功耗的白白损失。 为了降低伪跳变带来的浪费，一种办法是消除 伪跳变的产生，另一办法是缩短其传播长度。

低功耗设计方法
低功耗设计是一个系统的问题, 必须在 设计的各个层次上发展适当的技术, 综 合应用不同的设计策略, 达到在降低功 耗的同时维持系统性能的目的。 研究证明在不同设计层次上的优化工作 对功耗的改善程度是不同的，随着设计 层次的提高，改善的程度越大。

低功耗设计方法
设计层次 行为级 RTL级 门级 晶体管级 版图级 改善程度 50%~90% 20%~50% 10%~15% 5%~10% <5%

低功耗设计方法
下面是一些低功耗设计(Design for Power,DFP) 的基本策略:
权衡面积和性能, 使用并行、流水化和分布 式计算等方法, 用面积或时间换取低功耗; 避免浪费, 停掉不用的逻辑和时钟; 使用专用电路而不是可编程逻辑; 使用规则的算法和结构减少控制负荷; 采用新型的低功耗器件和工艺。

工艺级的优化技术
工艺的进步使得多层金属布线成为可能。 使用上层的金属进行全局互连, 可以减小 互连电容, 从而减小延迟和功耗。 通过加工技术的提高减小芯片和封装的电 容,也能改善功耗性能, 由于设计工程师不能决定工艺流程, 工艺 级的优化通常不包含在DFP 的设计方法学 中。

版图和晶体管级的优化技术
布局布线 电路结构的选择 CLOCK-TREE 的生成 晶体管尺寸优化 晶体管顺序调整

RTL级和逻辑级的优化技术
在逻辑门级和RTL级电路设计和综合阶 段所采用的功耗优化和功耗最小化技术 很多,主要包括:预计算技术、重定时技 术、时钟受控技术、路径平衡技术、工 艺映射技术、逻辑分解技术、状态分配 技术、多级网络优化技术和公共表达式 提取技术。

门控时钟技术
同步设计中, 很大一部分功耗来自时钟。时 钟是唯一在所有时间都充放电的信号。时钟 信号通常要驱动大的时钟树。而且, 很多情 况下会引起不必要的门的翻转。门控时钟技 术(gated clock) 将电路无计算任务的部分 的时钟停下, 减少无用功耗。

门控时钟技术
电路F 根据现态和输入判定电路下一周 期是否是空闲周期, 如果是,则停掉寄存 器R 的时钟。避免下一个时钟周期时,组 合电路的无用翻转。GCLK就是门控时钟 信号。锁存器L的作用是滤掉功能块F可 能输出的毛刺。如果组合电路在关键路 径上, 则F 的加入可能使延迟不能满足 要求。在综合的时候, 使用有限状态机 (FSM)的状态转换图(STG)寻找电路的近 封闭子集。

预计算技术
预计算设计技术是在逻辑级实现的挂起 方法,通过加入预计算逻辑,在一定的输 入条件下,使所有或部分输入寄存器的负 载无效,从而降低了功耗。

粤教版通用技术技术与设计2教学工作计划

粤教版通用技术技术与设计2教学工作计划 一、学生基本情况分析 本学期我依然担任高二年级六个班的通用技术教学工作，从学生上学期学习情况来看，存在以下三方面问题： 1.由于通用技术这门学科不参加高考，很多学生在思想上、态度上放松,根本不重视该学科的学习，从而导致学生掌握得不是很扎实。 2.学生以前没有接触到通用技术方面的知识，基础知识不够扎实，灵活运用知识的技能相对薄弱。 3.运用能力不够强，本学期的内容较上学期的难度有所增加，希望学生能够好好地学习，能够熟练地应用。 二、教材分析 本学期开设的课程是通用技术课程的必修模块“技术与设计2”，使用的是广东科技出版社出版的教材。“技术与设计2”模块是在“技术与设计1”的基础上设置的具有典型意义的专题性技术与设计的教学内容，是“技术与设计1”所学知识的应用和深化。本模块由结构与设计、流程与设计、系统与设计、控制与设计四个主题组成，侧重于技术设计的思想和方法的领悟以及生活中具体技术问题的解决。这些对于高中生的生活、学习具有重要意义。 三、教学目标 通过本模块的学习，学生应该： 1、理解结构、流程、系统和控制的基本概念，掌握结构设计、流程设计和系统设计的基本思想和方法，初步掌握简单控制设计的基本思想和方法； 2、能使用常用的规范的技术语言表达设计方案； 3、能结合生产和生活的实际形成设计方案并初步实施； 4、学会从技术、环境、经济、文化等角度综合评价技术设计方案和实施的结果，增强革新意识。 四、实施措施 1、在开学初将各班学生分为6人的技术小组，便于开展技术活动，完成学分认定过程中的过程性评价和形成性评价。 2、紧扣通用技术课程的基本目标“提高学生的技术素养，促进学生全面而富有个性的发展”设计、组织和实施教学活动，避免教学过于专业化，防止陷入某项技能、技艺的教学。 3、教学中要体现新理念，不仅要注重学生对基础知识与基本技能的学习，还要注重学生对技术思想和方法的领悟与应用，注重学生对技术的人文因素的感悟与理解，注重学生在技术学习中的探究、试验和创造，注重学生情感态度价值观以及共通能力的发展。 4、教学中要紧密结合学生的生活实际，使学生通过技术试验，领悟技术设计的思想和方法，并能将它们迁移到日常生活中进行灵活运用，发展解决问题的能力。

基于FPGA的DDS设计

一、实验名称：基于F P G A的D D S信号源设计 二、技术规范： 1.实验目标： 设计一个直接数字频率合成(DDS，Direct Digital Synthesis)，DDS是一种新型的频率合成技术。DDS 技术是一种把一系列数字形式的信号通过DAC 转换成模拟信号的合成技术。 DDS 技术具有频率切换时间短，频率分辨率高，频率稳定度高，输出信号的频率和相位可以快速切换，输出相位可连续，并且在改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数字控制。它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术。 因此在现代电子系统及设备的频率源设计中，尤其在通信领域，直接数字频率合成器的应用越来越广泛。 2.实现功能： 本实验最后将设计出一个具有频率控制和相位移控制功能的DDS。 3.引脚： 本实验有三个输入端口，8位的频率控制字端口，分别接8个开关按键，8位的相位控制字端口，分别接另外的8个开关按键，系统时钟输入端口；一个8位输出端口，接D/A的输入端口。FPGA板上的时钟频率为50MHz，本实验将其10分频后得到5MHz再使用。 三．总体设计方案； 原理： 实验采用目前使用最广泛的一种DDS 方式是利用高速存储器作查找表，然后通过高速DAC 输出已经用数字形式存储的波形。 图1：DDS 系统的基本原理图 图1中虚方框部分是DDS 的核心单元，它可以采用CPLD/FPGA 来实现。图中的相位累加器由Ｎ位全加器和Ｎ位累加寄存器级联而成，可对频率控制字的二进制码进行累加运算，是典型的反馈电路。 频率控制字M和相位控制字分别控制DDS 输出正(余)弦波的频率和相位。每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M递增。相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为正(余)弦查找表的地址。正(余)弦查找表的数据存放在ROM中，内部存有一个周期的正弦波信号的数字幅度信息，每个查找表的地址对应于正弦波中0°～360°范围内的一个相位点。查找表把输入的址信息映射成正(余)弦波的数字幅度信号，同时输出到数模转换器DAC 的输入端，DAC输出的模拟信号经过低通滤波器(LPF)，可得到一个频谱纯净的正(余)弦波。 DDS 具体工作过程如下：每来一个时钟脉冲clk，N 位全加器将频率控制数据M 与累加寄存器输出的累加相位数据N 相加，把相加后的结果送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将上一时钟周期作用后所产生的新的数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据M 相加；另一方

集成电路的功耗优化和低功耗设计技术

集成电路的功耗优化和低功耗设计技术 摘要：现阶段各行业的发展离不开对能源的消耗，随着目前节能技术要求的不 断提升，降低功耗成为行业发展的重要工作之一。本文围绕集成电路的功耗优化 以及低功耗设计技术展开分析，针对现阶段常见的低功耗设计方式以及技术进行 探究，为集成电路功耗优化提供理论指导。 关键词：集成电路；功耗优化；低功耗 目前现代节能技术要求不断提升，针对设备的功耗控制成为当前发展的主要问题之一。 针对数字系统的功耗而言，决定了系统的使用性能能否得到提升。一般情况下，数字电路设 计方面，功耗的降低一直都是优先考虑的问题，并且通过对整个结构进行分段处理，同时进 行优化，最后总结出较为科学的设计方案，采用多种方式降低功耗，能够很大程度上提升设 备的使用性能。下面围绕数字电路的功耗优化以及低功耗设计展开分析。 一、设计与优化技术 集成电路的功耗优化和低功耗设计是相对系统的内容，一定要在设计的每个环节当中使 用科学且合理的技术手段，权衡并且综合考虑多方面的设计策略，才能够有效降低功耗并且 确保集成电路系统性能。因为集成电路系统的规模相对较大且具有一定的特殊性，想要完全 依靠人工或者手动的方式来达到这些目的并不现实且缺少可行性，一定要开发与之对应的电 路综合技术。 1 工艺级功耗优化 将工艺级功耗应用到设计当中，通常情况下采取以下两种方式进行功耗的降低： 首先，根据比例调整技术。进行低功耗设计过程中，为了能够实现功耗的有效降低会利 用工艺技术进行改善。在设计过程中，使用较为先进的工艺技术，能够让设备的电压消耗有 效缩减。现阶段电子技术水平不断提升，系统的集成度也随之提高，目前采用的零件的规格 也逐渐缩小，零件的电容也实现了良好的控制，进而能够很大程度上降低功耗。借助比例技术，除了能够将可见晶体管的比例进行调整，而且也能够缩小互连线的比例[1]。目前在晶体 管的比例缩小方面，能够依靠缩小零件的部分重要参数，进而在保持性能不被影响的情况下，通过较小的沟道长度，确保其他的参数不受影响的栅压缩方式，进而将零件的体积进行缩减，同时也缩短了延长的用时，使功耗能够有效降低。针对互连线缩小的方式主要将互连线的整 个结构进行调整，工作人员在进行尺寸缩减的过程中，会面临多方面的难题，比如系统噪音 无法控制，或者降低了电路使用的可靠性等等。 其次，采用封装技术进行降低。采用封装技术，能够让芯片与外部环境进行有效的隔离，进而避免了外部环境给电气设备造成一定的破坏与影响，在封装阶段，芯片的功耗会受到较 大的影响，因此需要使用更加有效的封装手段，才能够提升芯片的散热性，进而有效降低功 耗[2]。在多芯片的情况下，因为芯片与其他芯片之间的接口位置会产生大量的功耗，因此针 对多芯片采取封装技术，首先降低I/0接口的所有功能，接着解决电路延迟的问题，才能够 实现对集成电路的优化。 2 电路功耗优化 一般情况下，对电路级的功耗会选择动态的逻辑设计。在集成电路当中，往往会包含多 种电路逻辑结构，比如动态、静态等等，逻辑结构从本质上而言具有一定的差异性，这种差 异性也使得逻辑结构有着不同作用的功能。动态逻辑结构有着较为典型的特性[3]。静态的逻 辑结构当中所有的输入都会对接单独的MOS，因此逻辑结构功耗更大，动态的逻辑结构当中 电路通常具备N、M两个沟道，动态电路会利用时钟信号采取有效的控制，进而能够实现预

如何进行低功耗设计

如何进行低功耗设计 现在电子产品，特别是最近两年很火爆的穿戴产品，智能手表等都是锂电池供电，如果采用同样容量大小的锂电池进行测试不难发现电子产品低功耗做的好的，工作时间越长。因此，低功耗设计排在电子产品设计的重要地位。 最近做穿戴产品设计，面临的第一个问题就是低功耗设计。经过这两天的认真分析总结，将低功耗设计的方法总结，以飨网友。 首先，要明白一点就是功耗分为工作时功耗和待机时功耗，工作时功耗分为全部功能开启的功耗和部分功能开启的功耗。这在很大程度上影响着产品的功耗设计。 对于一个电子产品，总功耗为该产品正常工作时的电压与电流的乘积，这就是低功耗设计的需要注意事项之一。 为了降低产品的功耗，在电子产品开发时尽量采用低电压低功耗的产品。比如一个产品，曾经用5v单片机正常工作，后来又了3.3v的单片机或者工作电压更低的，那么就是在第一层次中进行了低功耗设计，这也就是我们常说的研发前期低功耗器件选择。这一般需要有广阔的芯片涉猎范围或者与供应商有良好的沟通。 其次是模块工作的选择控制，一般选择具有休眠功能的芯片。比如在设计一个系统中，如果某些外部模块在工作中是不经常使用的，我们可以使其进入休眠模式或者在硬件电路设计中采用数字开关来控制器工作与否，当需要使用模块时将其唤醒，这样我们可以在整个系统进入低功耗模式时，关闭一些不必要的器件，以起到省电的作用，延长了待机时间。一般常用方法：①具有休眠模式的功能芯片②MOS管做电子开关③具有使能端的LDO芯片。 再次，选择具有省电模式的主控芯片。现在的主控芯片一般都具有省电模式，通过以往的经验可以知道，当主控芯片在省电模式条件下，其工作电流往往是正常工作电流的几分之一，这样可以大大增强消费类产品电池的使用时间。同时，现在一些控制芯片具有双时钟的模式，通过软件的配置使芯片在不同的使用场合使用不同的外部始终从而降低其功耗。这与始终分频器具有异曲同工之妙，不同之处想必就是BOM的价格问题。现在火爆的APPLE WATCH 就是低功耗的一个例子：全功能运行3-4小时，持续运行18小时。 主控芯片或者相关模块唤醒的方式选择。通常进过以上的步骤设计好了硬件结构，在系统需要省电，在什么时候进入省电模式，这一般在软件设计中实现，但是最主要还是需要根据产品的功能特性来决定了。当系统进入了省电模式，而系统的唤醒也需要控制。一般系统的唤醒分为自动唤醒和外部唤醒。 A、自动唤醒是使用芯片内部的定时器来计时睡眠时间，当睡眠时间达到预定时间时，自动进行唤醒。这与我们使用的看门狗或者中断有比较相近之处，不同就是其工作与否的时序。 B、外部唤醒就是芯片一直处于一种休眠状态，当有一个外部事件(主要是通过接口)来对芯片进行一个触发，则芯片会唤醒，在事件处理之后消除该触发事件而在此进入休眠状态。因此，根据系统的特性，就需要进行软件设计时，来决定如何使用睡眠及唤醒，以降低系统的功耗。 最后说说功耗的测试，功耗测试分为模块功耗和整机功耗，模块功耗需要测试休眠时功耗和工作时功耗。整机功耗分为最大负荷工作时功耗和基本功能时功耗和休眠时功耗。在前期的测试中我用直接用UI来进行测量，关于如何进行高精度低功耗产品的测量，在下篇中进一步说明。

基于FPGA的设计题目

1.花样彩灯控制器的设计 设计要求: 假设输入脉冲为3MHz，控制16只LED发光二极管每隔1s或2s显示一种花样。要求显示的花样如下:闪烁2次从LED（0）移位点亮到LED（15）一次全部点亮一次从LED（15）开始逐个熄灭至LED（0）1次闪烁2次。。。。。。如果按下清零键时，16只LED均熄灭一次，然后再重新按规律显示。如果没有按下快/慢选择控制键时，16只LED发光二极管是以每隔1s进行花样显示，否则按下快/慢键选择控制键时，16只LED发光二极管是以每隔2s进行花样显示。 2.利用FPGA实现一个简单的DDS正弦波发生器 （DDS：数字显示示波器） 可分解为三个部分来设计：时钟产生模块；地址产生模块；ROM查找表模块。 实现思路： ①首先，由外部晶振引入40MHz的时钟到FPGA内部，进入时钟产生模块，对时钟进行处理并3倍频程后，得到一个稳定精确的120MHz的系统时钟； ②然后，地址产生模块在系统时钟的激励下，将频率控制字与累加寄存器输出的数据进行累加，然后把累加的结果作为地址输出给ROM查找表地址； ③最后，ROM查找表模块在每个系统时钟的上升沿，按照地址来读取ROM 查找表中的相应的波形采样点数据并输出，该数就是最终的DDS信号。 3.多功能信号发生器的设计 设计要求： 设计一个多功能信号发生器，能够以稳定的频率产生锯齿波、增减锯齿波、三角波、阶梯波、正弦波和方波等六种信号。系统有3个波形选择开关和一个复位开关，通过波形选择开关可以选择以上各种不同种类的输出波形；按下复位开关时，系统将复位。 设计实现： 由于FPGA只能直接输出数字信号，而多功能信号发生器输出的各种波形

嵌入式系统的低功耗设计

第27卷第6期增刊　2006年6月 仪　器　仪　表　学　报 Chinese Journal of Scientific Instrument Vol.27No.6 J une.2006　 嵌入式系统的低功耗设计 3 杨天池　金　梁　王天鹏 (解放军信息工程大学　郑州　450002) 摘　要　嵌入式系统的电源管理是系统设计中关键部分,合理的电源管理方案可以减少系统的功耗并提高整体性能。本文提出了一种层次化的电源管理结构,分别为硬件层、驱动层、操作系统层、电源管理层和应用层。本文同时引入了动态的电源管理方法来解决电源功耗的动态管理问题。通过在实际的系统中的测试表明,该电源管理机制的有效性。关键词　嵌入式系统　低功耗设计　动态电源管理　PXA255 Low pow er design in embedded system Yang Tianchi Jin Liang Wang Tianpeng (Universit y of I nf ormation Engineering ,Zhengz hou 450002,China ) Abstract Proper power management mechanism is important when designing embedded system.It is helpful to reduce power consumption and improve performance.This low power model adopt s five 2layer architecture ,which are hardware platform ,driver layer ,operating system ,power manage mechanism and application program.Dynamic power management (DPM )technology is also introduced to solve the problem of power consumption.The experiment on embedded system demonstrates t hat this power management mechanism is feasible.K ey w ords embedded system low power design dynamic power management PXA255 　3基金项目:河南人才创新基金(0421000100) 1　引 言 随着嵌入式系统的发展以及应用面的不断扩展,功耗控制是系统设计中必不可少的组成部分。如何最大限度的降低系统功耗、减少不必要的能源损失、延长电池使用时间已经成为嵌入式系统特别是便携式系统设计中研究的热点问题。系统的低功耗设计,并非是某一方面、某一角度的解决方案,而应当从系统级的设计考虑功耗的节省,是一个硬件设计与软件控制相互结合的协调过程。 2　低功耗电路模型 低功耗设计对于无线设备、PDA 等便携式设备的实际应用具有重要的意义。低功耗元件的发展和系统设计的进步使得通用计算技术可以用到表、无线电话、 PDA 和桌面计算机中。在这些系统中的电源管理技 术传统上集中在休眠模式和设备能源管理这2个方面上[1]。但是,这样的电源管理缺乏直观性和灵活性,而且功耗的降低,并非单独软件、硬件单方面可以解决的[2],因此设计并建立如图1所示的系统低功耗设计模型。整个模型由硬件平台,驱动层,操作系统层,电源管理机制层和应用程序五个部分组成。 2.1　硬件平台 几乎所有系统功耗都集中于硬件平台,因此降低硬件平台的功耗是实现低功耗的基本所在。公式(1)为系统功耗的表达式: P ∞CV 2 f (1) 式中:C 是负载电容,V 是器件电压,f 是工作频率[3]。系统功耗同负载电容、器件电压平方以及工作频率成正比。因此,硬件平台设计多选用低电压,电压、频率可调器件,以及采用SOC 设计来进一步降低功耗[4,5]。另外,模式可控器件在空闲状态消耗的能量为运行状

基于IEEE1801(UPF)标准的低功耗设计实现流程

https://www.wendangku.net/doc/8512652269.html,/inform ation/snug/2009/low-power-impleme ntation-flow-based-ieee1801-upf 基于IEEE1801(UPF)标准的低功耗设计实现流程 Low-power Implementation Flow Based IEEE1801 (UPF) 郭军, 廖水清, 张剑景 华为通信技术有限公司 jguo@https://www.wendangku.net/doc/8512652269.html, liaoshuiqing@https://www.wendangku.net/doc/8512652269.html, zhangjianjing@https://www.wendangku.net/doc/8512652269.html, Abstract Power consumption is becoming an increasingly important aspect of ASIC design. There are several different approaches that can be used to reduce power. However, it is important to use these low-power technology more effectively in IC design implementation and verification flow. In our latest low-power chip, we completed full implementation and verification flow from RTL to GDSII successfully and effectively by adopting IEEE1801 Unified Power Format (UPF). This paper will focus on UPF application in design implementation with Synopsys low power solution. It will highlight that how to describe our low-power intent using UPF and how to complete the design flow. This paper first illustrates current low-power methodology and UPF?s concept. Then, it discussed UPF application in detail. Finally, it gives our conclusion. Key words: IEEE1801, UPF, Low-Power, Shut-Down, Power Gating, Isolation, IC-Compiler 摘要

软件低功耗设计

Software Power Measurement Dushyanth Narayanan dnarayan@https://www.wendangku.net/doc/8512652269.html, April26,2005 Technical Report MSR-TR-2005-51 Microsoft Research Microsoft Corporation One Microsoft Way Redmond,WA98052 https://www.wendangku.net/doc/8512652269.html,

Abstract E?ective system-level power management requires cheap,accurate and?ne-grained power measurement and accounting.Unfortunately current portable hardware does not provide this capability.We advocate software power measure-ment:estimation of power consumption by modelling it as a function of device state.The approach requires no additional hardware,and allows?ne-grained, per-device and per-application power measurement.We describe a design and implementation of software power measurement,and a feasibility study showing signi?cantly better accuracy than power pro?ling based on time averaging.We conclude with design recommendations for OS designers and portable hardware vendors to improve the ease and accuracy of power measurement. 1Introduction Energy is a critical resource for many computing systems.While battery life is especially relevant to portable and hand-held computers,peak power consump-tion a?ects fan noise on desktops and cooling costs for server farms.There is an increasingly recognised need to manage and account energy as a?rst-class resource within the operating system[13]. Energy management requires accurate measurement and accounting.Adap-tive tuning of device parameters such as disk spin-down timeouts[3]requires accurate estimates of per-device power consumption.Per-device measurements at?ne time granularity—when combined with existing OS accounting of de-vices such as CPU,disk,and network—also enable per-application accounting of energy consumption.This is of great value both for end-users(“Outlook is responsible for80%of your battery drain,maybe you should kill it”)and for application-level adaptation[5]. Unfortunately,current approaches to energy measurement have several draw-backs,especially when applied to laptop and hand-held computers.Accurate measurement with?ne time granularity requires external hardware such as sam-pling digital multimeters,making the approach unwieldy and hard to deploy in the?eld.Unmodi?ed laptop hardware typically o?ers nothing more than Smart-Battery measurements,which are only accurate at coarse time granularities and measure the power consumption of the entire system but not of individual de-vices. We propose a novel technique known as software power measurement(SPM), which correlates infrequent,coarse-grained measurements of power with?ne-grained observations of device state and activity.The result of the correlation is a predictor that estimates the energy consumption over arbitrarily short time interval from from the observed device state and activity. The remainder of this paper is organised as follows.Section2describes current approaches to the problem and their drawbacks.Section3describes the design and prototype implementation of software power measurement on Windows XP.Section4presents a quantitative evaluation of the prototype, 1

Fpga工程师要求

FPGA工程师基本要求（zz） 2012-08-01 14:39 FPGA工程师需要掌握哪些知识？这里根据自己的一些心得总结一下，其他朋友可以补充啊。 1.Verilog语言及其于硬件电路之间的关系。 2.器件结构（最好熟练掌握Spartan3，Vertix4系列的器件结构，及其资源于Verilog行为描述方法的关系。）。 3.开发工具（熟练掌握Synplify,Quartus，ISE,Modelsim)。 4.数字电路（组合电路，触发器，特别是D触发器构成分频器，奇数倍分频占空比为50%，时序电路，并且能用Verilog语言描叙。）。 5.熟悉FPGA设计流程（仿真，综合，布局布线，时序分析）。 6.熟练掌握资源估算（特别是slice,lut,ram等资源的估算）。 7.同步设计原理。 8.熟练掌握基本概念（如建立时间，保持时间，流量（即所做FPGA设计的波特率）计算，延迟时间计算（所做FPGA设计），竞争冒险，消除毛刺的方法等等）。 9.具备具体设计经验（对应届生而言如毕业设计）。 10.良好的设计思路（流水线设计即熟称打拍子，在速率资源功耗之间的折中考虑）。一个合格的FPGA工程师至少在以下三个方面的一个非常熟悉： 1.嵌入式应用 2.DSP应用 3.高速收发器应用 将自己的走过的弯路和总结的经验与大家分享一下，希望对您有一点点的参考价值。首先从先从如何成为一个合格的设计者说起吧！初学者觉得一切都是挑战，一切都新鲜，不知从何处下手。我总结了学习EDA逻辑设计的4个步骤，请拍砖！ 1。首先，应该好好学习一下FPGA/CPLD的设计设计流程。 不要简单的以为就是设计输入－》仿真－》综合－》实现那么一回事，要抠细，要学精，要多问每个步骤的注意事项，区分相关步骤的联系和区别。比如要搞清楚功能仿真、综合后仿真、Translate后仿真、Map后的仿真、布局布线后仿真的作用都是什么，什么时候应该做，什么时候可以不做这些仿真！学习清楚了设计流程最大的好处就是有利于培养良好的EDA 设计习惯，日后会受益非浅！ 2。关于设计输入和Coding Style。 设计输入最好学习HDL语言，Verilog、VHDL都可以，可以把状态机输入和原理图输入作为补充内容，但不是重点。我在前面的帖子已经反复强调了 Coding Style的重要性。因为它是逻辑设计人员的一个基本业务素质。而且Coding Style不是看几篇文章，学几条原则就能够成为高手的，他需要您在工作中不断的体会和积累，在学习的最初，有Coding Style的意识，设计者就会有意的积累，对日后发展很有好处。反之则后患无穷。 3。培养硬件的意识，培养系统的观念。 我也在交流和授课的时候很强调硬件意识，如果从形式上看，逻辑设计随着智能化和优化手段的不断发展最后会越来越灵活，越来越简单。比如我们现在在使用大型 FPGA时就很少谈如何用Floorplanner优化，手动布线，如果用手动方式，其工作量太大了啊！一个设计的优劣，关键看其设计者的硬件意识，和系统意识。硬件意识就是要求先做到对设计的硬件胸

ARM低功耗设计_全面OK

嵌入式系统中的低功耗设计 2008-12-31 18:19:55 作者：电子之都来源：电子之都浏览次数：59 网友评论 0 条 经过近几年的快速发展，嵌入式系统（Embedded system）已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分支。随着手机、PDA、GPS、机顶盒等新兴产品的大量应用，嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增（IDC预测），嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。 在嵌入式系统的设计中，低功耗设计（Low-Power Design）是许多设计人员必须面对的问题，其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。 那么,我们应该从哪些方面来考虑低功耗设计呢？笔者认为应从以下几方面综合考虑： 1.处理器的选择 2.接口驱动电路设计 3.动态电源管理 4.电源供给电路的选择 下面我们分别进行讨论： 一、处理器的选择 我们对一个嵌入式系统的选型往往是从其CPU和操作系统（OS）开始的，一旦这两者选定，整个大的系统框架便选定了。我们在选择一个CPU的时候，一般更注意其性能的优劣（比如时钟频率等）及所提供的接口和功能的多少，往往忽视其功耗特性。但是因为CPU 是嵌入式系统功率消耗的主要来源---对于手持设备来讲，它几乎占据了除显示屏以外的整

个系统功耗的一半以上（视系统具体情况而定），所以选择合适的CPU对于最后的系统功耗大小有举足轻重的影响。 一般的情况下，我们是在CPU的性能（Performance）和功耗（Power Consumption）方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量，即Watt/M IPS。但是，这仅仅是一个参考指标，实际上各个CPU的体系结构相差很大，衡量性能的方式也不尽相同，所以，我们还应该进一步分析一些细节。 我们把CPU的功率消耗分为两大部分：内核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O，总的功率等于两者之和，即P=PCORE+PI/O。对于PCORE，关键在于其供电电压和时钟频率的高低；对于PI/O来讲，除了留意各个专门I/O控制器的功耗外，还必须关注地址和数据总线宽度。下面对两者分别进行讨论： 1、CPU供电电压和时钟频率 我们知道，在数字集成电路设计中，CMOS电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比基本可以忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为： Pd=CTV2f 式中，Pd---CMOS芯片的动态功耗 CT----CMOS芯片的负载电容 V----CMOS芯片的工作电压 f-----CMOS芯片的工作频率 由上式可知，CMOS电路中的功率消耗是与电路的开关频率呈线性关系，与供电电压呈二次平方关系。对于一颗CPU来讲，Vcore电压越高，时钟频率越快，则功率消耗越大。所以，在能够满足功能正常的前提下，尽可能选择低电压工作的CPU能够在总体功耗方面得到

《技术与设计2》单元检测一

《技术与设计2》单元检测一 班级：姓名： 第一章结构与设计 1、分别在一根竹杆和一根同样尺寸的脆性塑料杆上不断加挂相同质量的重物，竹杆比脆性塑料杆能挂更多重物而不会断裂，说明了（）影响结构的强度。 A、材料 B、结构的形状 C、构件横截面形状 D、构件的连接方式 2、走钢丝的人手上拿着一条长棒的目的是（） A、美观 B、重心低 C、保护 D、支撑 3、下列物体的结构类型、判断哪个不属于壳体结构（） A、摩托车头盔 B、圆形陶瓷饰品 C、贝类 D、金字塔 4、常用的A形梯不直接采用铝合金片，而用长方形截面的铝合金构件，这说明了（）影响着结构强度？ A、材料 B、构件的形状 C、重心的高低 D、连接方式 5、钢筋混凝土比无钢筋的水泥梁的（）强度更强。 A、抗弯 B、抗压 C、抗拉 D、抗剪 6、为了方便城镇人使用水资源，设计出了水管输送方式，设计的水管结构类型是（） A、框架 B、壳体 C、实体 D、以上都不是 7、可以用受力结构的稳定性来解释的事实是（） A、拔河的绳子断裂 B、广告牌被台风吹倒 C、鸡蛋在某种承受很大的外力 D、耳机与电脑主机的插口接触不良，听不到音乐 8、我们所用的板凳属于（）结构。 A、实心结构 B、框架结构 C、空心结构 D、壳体结构 9、我国塔式建筑的结构一般都是由上到下越来越大，这主要是考虑它的（）。 A．稳定性 B．强度 C．美观性 D．经济性 10、分析下列物体的结构类型，属于实体结构是（）。 A．羽毛球 B．乒乓球 C．铅球 D．篮球 第二章流程与设计测试题 1、下列图表中，不是流程图的是（）。 A．列车运行时刻表 B．学校课程表 C．产品加工工序表 D．零件的三视图 2、下面关于流程中环节和时序的说法正确的是( ) A．任何流程环节的时序都是可以调整的 B．任何流程环节的时序都不能调整 C．有的流程时序可调整，有的流程时序不可调整 D．环节多的流程时序才能调整 3、人们邮寄包裹的流程一般是：取包裹单——购买标准包装箱——包装密封——填写包裹单——交寄手续——收回执单。我们看到，它的全部过程，可以分解为若干个小的过程，每个小过程都有明确的任务。我们把这些小过程称为：（） A、步骤 B、时序 C、环节 D、顺序 4、下面关于流程的叙述错误的是（） A、在生产活动中，针对各种不同的生产过程和工艺要求，往往会有相应的流程 B、流程由几个或多个环节组成

一个合格的FPGA工程师需要掌握哪些知识

一个合格的FPGA工程师需要掌握哪些知识？这里根据自己的一些心得总结一下，其他朋友可以补充啊。 1.Verilog语言及其于硬件电路之间的关系。 2.器件结构（最好熟练掌握Spartan3，Vertix4系列的器件结构，及其资源于Verilog行为描述方法的关系。）。 3.开发工具（熟练掌握Synplify,Quartus，ISE,Modelsim)。 4.数字电路（组合电路，触发器，特别是D触发器构成分频器，奇数倍分频占空比为50%，时序电路，并且能用Verilog语言描叙。）。 5.熟悉FPGA设计流程（仿真，综合，布局布线，时序分析）。 6.熟练掌握资源估算（特别是slice,lut,ram等资源的估算）。 7.同步设计原理。 8.熟练掌握基本概念（如建立时间，保持时间，流量（即所做FPGA设计的波特率）计算，延迟时间计算（所做FPGA设计），竞争冒险，消除毛刺的方法等等）。 9.具备具体设计经验（对应届生而言如毕业设计）。 10.良好的设计思路（流水线设计即熟称打拍子，在速率资源功耗之间的折中考虑）。 一个合格的FPGA工程师至少在以下三个方面的一个非常熟悉： 1.嵌入式应用 2.DSP应用 3.高速收发器应用 将自己的走过的弯路和总结的经验与大家分享一下，希望对您有一点点

的参考价值。 首先从先从如何成为一个合格的设计者说起吧！初学者觉得一切都是挑战，一切都新鲜，不知从何处下手。我总结了学习EDA逻辑设计的4个步骤，请拍砖！ 1。首先，应该好好学习一下FPGA/CPLD的设计设计流程。 不要简单的以为就是设计输入－》仿真－》综合－》实现那么一回事，要抠细，要学精，要多问每个步骤的注意事项，区分相关步骤的联系和区别。比如要搞清楚功能仿真、综合后仿真、Translate后仿真、Map 后的仿真、布局布线后仿真的作用都是什么，什么时候应该做，什么时候可以不做这些仿真！学习清楚了设计流程最大的好处就是有利于培养良好的EDA设计习惯，日后会受益非浅！ 2。关于设计输入和Coding Style。 设计输入最好学习HDL语言，Verilog、VHDL都可以，可以把状态机输入和原理图输入作为补充内容，但不是重点。我在前面的帖子已经反复强调了Coding Style的重要性。因为它是逻辑设计人员的一个基本业务素质。而且Coding Style不是看几篇文章，学几条原则就能够成为高手的，他需要您在工作中不断的体会和积累，在学习的最初，有Coding Style的意识，设计者就会有意的积累，对日后发展很有好处。反之则后患无穷。 3。培养硬件的意识，培养系统的观念。 我也在交流和授课的时候很强调硬件意识，如果从形式上看，逻辑设计随着智能化和优化手段的不断发展最后会越来越灵活，越来越简单。比

基于MSP430的极低功耗系统设计

基于MSP430的极低功耗系统设计 摘要：MSP430是TI公司出品的一款强大的16位单片机，其显著特点是具有极低的功耗。本文对构造以MSP430为基础极低功耗系统作为有益的探讨，对于设计各种便携式设备都具有较高的参考价值。 对于一个数字系统而言，其功耗大致满足以下公式：P=CV2f，其中C为系统的负载电容，V为电源电压，f为系统工作频率。由此可见，功耗与电源电压的平方成正比，因此电源电压对系统的功耗影响最大，其次是工作频率，再就是负载电容。负载电容对设计人员而言，一般是不可控的，因此设计一个低功耗系统，应该考虑到不影响系统性能前提下，尽可能地降低电源的电压和使用低频率的时钟。下面对TI公司新出MSP430来具体探讨这个问题。 MSP430具有工业级16位RISC，其I/O和CPU可以运行在不的时钟下。CPU功耗可以通过开关状态寄存器的控制位来控制：正常运行时电流160μA,备用时为0.1μA，功耗低，为设计低功耗系统提供了有利的条件。 图1是我们设计的以MSP430为CPU的“精密温度测试仪”（下面简称测试仪）。该产品使用电池供电，体积小巧，携带方便。 在使用时应该尽可能地选择最低的电源电压。对于MSP430而言，可用的最低电压是很低的，最低可达1.8V。我们使用TI公司推荐使用的3V。通常的电源只提供5V电压，因此，需要将5V电压由一个3V的稳压管降压后给CPU供电，也可以直接锂电池供电。3V不是标准的TTL电平，因此，在使用时需要用接口电路使CPU的非TTL标准电平能与TTL标准电平的器件连接。这些接口电路应该也是低功耗的，否则会造成一方面使用低电压降低了功耗，另一个方面使用额外的接口电路又增加了系统的功耗。或者直接使用支持3V电压的外围芯片。图1 （2）时钟频率 从低功耗的角度看，需要较低的频率，但是在实时应用中为了快速响应外部事件

高中通用技术 第二章 流程与设计 第三节 流程设计应考虑哪些基本因素教材分析 地质版

通用技术技术与设计２（地质版） 第二章流程与设计 第三节流程设计应考虑哪些基本因素 教材分析 一、本节内容在课标及教材中的地位 在通用技术课程标准中，《技术与设计2》必修模块包含四个主题：结构与设计、流程与设计、系统与设计、控制与设计。流程与设计的教学重点是第二节流程分析，第三节流程设计应考虑哪些因素。第三节流程设计应考虑哪些因素作为本章的重要内容，课标中对其规定的内容标准为：能分析流程设计中应考虑的基本因素，并画出流程设计的框图。本节课是在理解流程概念和分析流程的基础之上，对如何确定流程的环节和时序、如何把握流程线索的进一步分析，是后两节“流程是怎样优化的”和“我们也来做流程设计”的前提和基础，也是学生开始进行流程设计的起步。 二、本节教学目标及要求 （一）知识与技能 1．知道流程中的环节有显性和非显性之分。 2．理解研究内在属性与规律是流程设计应考虑的基本因素，掌握画流程设计框图的一般方法。 3．能画出简单的流程设计框图。 （二）过程与方法 1．能够根据事物的内在属性、规律等相关因素，把握好流程设计的环节，对简单流程设计进行分析。 2．各小组经讨论后能画出简单流程设计的框图。 （三）情感态度和价值观 1．体验深入分析和掌握事物内在属性与规律对设计科学、合理的流程的重要性，养成先深入分析问题，再解决问题的良好习惯。 2．经历画流程设计框图的过程，促使学生能按照事物的流程思考、分析问题的流程意识和习惯的形成。 三、对教材内容的分析与理解 本节课的内容包含两方面：一是流程设计应考虑的基本因素；二是学画流程设计的框图。 “流程设计应考虑的基本因素”教材通过流程设计的两种情形让学生认识到流程中的环节与时序存在显性与非显性之分．对显性的环节与时序因流程的进行和发展的规律比较容易看出，所以比较容易确定和描述。如：医院看病的流程。而非显性环节与时序的确定则需要经过大量的试验和较长的研究后才能得到它的内在属性和规律，从而得出流程应包含的基本环节和时序，设计出科学、合理的流程。如合成氨工艺流程的得出过程。让学生通过案例分析，体会到合成氨工艺流程的环节的时序的得出完全依赖于对合成氨内在属性和规律的探索、

常用低功耗设计

随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个非常重要的考虑因素。为了使产品更具有竞争力，工业界对芯片设计的要求已从单纯的追求高性能、小面积，转换为对性能、面积、功耗的综合要求。微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有非常重要的意义。 本文首先介绍了微处理器的功耗来源，重点介绍了常用的低功耗设计技术，并对今后低功耗微处理器设计的研究方向进行了展望。 1 微处理器的功耗来源 研究微处理器的低功耗设计技术，首先必须了解其功耗来源。高层次仿真得出的结论如图1所示。 从图1中可以看出，时钟单元(Clock)功耗最高，因为时钟单元有时钟发生器、时钟驱动、时钟树和钟控单元的时钟负载;数据通路(Datapath)是仅次于时钟单元的部分，其功耗主要来自运算单元、总线和寄存器堆。除了上述两部分，还有存储单元(Mem ory)，控制部分和输入/输出 (Control，I/O)。存储单元的功耗与容量相关。 如图2所示，C MOS电路功耗主要由3部分组成：电路电容充放电引起的动态功耗，结反偏时漏电流引起的功耗和短路电流引起的功耗。其中，动态功耗是最主要的，占了总功耗的90%以上，表达式如下： 式中：f为时钟频率，C1为节点电容，α为节点的翻转概率，Vdd为工作电压。

2 常用的低功耗设计技术 低功耗设计足一个复杂的综合性课题。就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等;就设计抽象层次而言，包括自系统级至版图级的所有抽象层次。同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要折中考虑。下面讨论常用的低功耗设计技术。 2.1 动态电压调节 由式(1)可知，动态功耗与工作电压的平方成正比，功耗将随着工作电压的降低以二次方的速度降低，因此降低工作电压是降低功耗的有力措施。但是，仅仅降低工作电压会导致传播延迟加大，执行时间变长。然而，系统负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持高性能。动态电压调节DVS (Dynarnic Voltage Scaling)技术降低功耗的主要思路是根据芯片工作状态改变功耗管理模式，从而在保证性能的基础上降低功耗。在不同模式下，工作电压可以进行调整。为了精确地控制DVS，需要采用电压调度模块来实时改变工作电压，电压调度模块通过分析当前和过去状态下系统工作情况的不同来预测电路的工作负荷。 2.2 门控时钟和可变频率时钟 如图1所示，在微处理器中，很大一部分功耗来自时钟。时钟是惟一在所有时间都充放电的信号，而且很多情况下引起不必要的门的翻转，因此降低时钟的开关活动性将对降低整个系统的功耗产牛很大的影响。门控时钟包括门控逻辑模块时钟和门控寄存器时钟。门控逻辑模块时钟对时钟网络进行划分，如果在当前的时钟周期内，系统没有用到某些逻辑模块，则暂时切断这些模块的时钟信号，从而明显地降低开关功耗。图3为采用“与”门实现的时钟控制电路。门控寄存器时钟的原理是当寄存器保持数据时，关闭寄存器时钟，以降低功耗。然而，门控时钟易引起毛刺，必须对信号的时序加以严格限制，并对其进行仔细的时序验证。 另一种常用的时钟技术就是可变频率时钟。根据系统性能要求，配置适当的时钟频率，避免不必要的功耗。门控时钟实际上是可变频率时钟的一种极限情况(即只有零和最高频率两种值)，因此，可变频率时钟比门控时钟技术更加有效，但需要系统内嵌时钟产生模块PLL，增加了设计复杂度。去年Intel公司推出的采用先进动态功耗控制技术的Montecito处理器，就利用了变频时钟系统。该芯片内嵌一个高精度数字电流表，利用封装上的微小电压降计算总电流;通过内嵌的一个32位微处理器来调整主频，达到64级动态功耗调整的目的，大大降低了功耗。