跟着Xilinx学习FPGA——Power Estimation Using XPE Power Estimation Using XPE使用XPE进行功率估计
目标：使用Xilinx power Estimator (XPE)电子表格估算功耗
第六章 Power Estimation Using XPE Power Estimation Using XPE使用XPE进行功率估计
文章目录
前言
让我们看一下估计功耗。在设计周期的早期进行功率计算可以避免后期的问题Xilinx Power Estimator是一个基于电子表格的功率估算工具，通常用于项目的预设计和预实施阶段。XPE还可以在实现后阶段用于执行假设分析。XPE广泛用于热建模、电源规划等任务。架构评估等。功率计算通常分三个阶段进行:概念阶段、设计阶段和系统集成阶段。
一、估计耗电量
在设计周期的早期阶段进行准确的功率计算，可以减少后期的问题Power Estimator电子表格也可以用于“假设”分析功率计算可以在设计周期的三个不同阶段进行。
- 概念阶段
在概念阶段，根据使用XPE电子表格对逻辑容量和活动速率的估计来计算功率的粗略估计。
- 设计阶段
设计阶段包括使用有关如何实现设计的详细信息准确计算功率。此信息可通过使用Vivado design Suite生成设计的功率报告来获得。
- 系统集成阶段
在系统集成阶段，使用实际仪器测量功率。Vivado Power Report弥补了概念阶段和系统集成阶段评估之间的差距。Power Report可以使用合成的网络列表、实现的网络列表或具有活动率的实现的网络列表来更准确地估计功耗。
二、Xilinx power Estimator (XPE)
Xilinx Power Estimator电子表格或XPE是一组支持我们所有fpga的Excel电子表格。可以在www.xilinx.com/power上找到。
XPE电子表格包括快速评估向导、内存接口、配置向导、内存生成器向导和收发器配置向导。这些向导帮助新手和专家用户快速输入重要的配置参数，然后在l/O、逻辑、块RAM (BRAM)、收发器和其他表中生成相关的行，帮助准确估计功率。
“摘要”工作表允许您输入和编辑所有设备和环境设置。此工作表还显示了电源分布的摘要，并提供了将数据导入XPE、导出结果和全局调整设置的按钮。
1、XPE-Buttons
Xilinx Power Estimator在顶部有几个常用的按钮，使您更容易输入数据。这些按钮包括“导入文件”、“导出文件”、“快速估算”、“IP管理”、“快照”、“设置默认速率”和“恢复默认值”按钮。
2、XPE-setting
输入设备、系统和环境信息“假设”分析:首先输入设备，速度等级，温度等级(商业或工业)，过程(典型或最大)，环境温度，气流，散热器，板类型和层数。
3、XPE-summary
描述系统的总功率和估计结温电源分为静态和动态电源(20/80)“假设”分析:这使您能够决定是否需要跳到工业级别，或者是否可以跳到商业级设备
4、XPE-On-chip Power
电源面板显示设备在不同电源上的估计功率。这使您能够操纵电源并查看对功耗的影响。例如，该信息可用于尺寸或审查电压供应组件，如稳压器。该表包括内部逻辑所需的所有功率以及最终在设备外部来源和消耗的功率，例如在外部板终端中。这一观点包括静态动力和动态动力。
5、XPE-Power Supply
电源面板显示设备在不同电源上的估计功率。这使您能够操纵电源并查看对功耗的影响。例如，该信息可用于尺寸或审查电压供应组件，如稳压器。该表包括内部逻辑所需的所有功率以及最终在设备外部来源和消耗的功率，例如在外部板终端中。这一观点包括静态动力和动态动力。
6、XPE-Graphs
功率图显示功率估计的图形表示，并让您了解磁芯电压和温度将如何影响设计。函数功率图展示了每个功能块的功率变化。Vccint上的功率图显示了相对于磁芯电压的功率变化。功率方差图显示了功率与PVT变化的关系。温度上功率图显示了功率随结温的变化。
三、五步走——设置XPE
在任何FPGA设计中，都必须正确设置电源规格，以创建可靠的系统。要使用Xilinx power Estimator获得准确的最坏情况功率估计，需要遵循几个步骤。
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第一步是在汇总表中输入完整的器件信息和热环境信息。
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第二步是为所有物资设定最坏情况。默认情况下，特定设备的每个电压轨被设置为其标称值。为了获得准确的功率估计，需要指定FPGA上看到的最坏情况或最高电压值，这通常可以通过使用标称输出值和每个导轨的电源和稳压器的公差来计算。
如果看到任何显著的电压降，那么应该考虑电压降。
- 第三步是输入时钟和资源信息。实现的设计可以从Vivado design Suite导入到XPE中，以获得评估结果。这使得填写时钟和资源信息的任务变得更加容易。
（1）在块RAM表中，输入用于设计的块RAM (BRAM)的数量和配置。**块RAM启用的时间与它消耗的动态功率成正比。**禁用块RAM同样可以节省相当大的功率。
（2）在DSP表中，提供可用于乘数器以外用途的DSP块。
（3）在CLKMGR表中，输入设计中是否使用了MMCM和/或PLL，在Clock Manager表中指定它们的使用和配置，因为它们消耗大量的功率。
（4）在“时钟”工作表中，输入每个时钟、预期频率和预期使用的时钟资源。
（5）在Logic工作表中，输入片资源数量的估计值。
（6）正确填写I/O表以获得对芯片所有轨道的准确总体估计是很重要的。根据所选择的I/O标准和I/O电路，不仅在VCCO导轨中，而且在VCCINT和VCCINT中，可能会消耗大量的功率
- 第四步是设置切换和连接参数。填写每个选项卡的切换速率，平均扇出和启用速率。在没有任何其他信息的情况下，建议将这些设置保持默认值。**指定时钟扇出的最好和最简单的方法是创建一个将所有同步元素相加的方程。**当对电子表格资源计数进行调整时，它还具有自动更新的优点。
逻辑扇出需要预测数据和控制路径的性质。需要为每个设计输出添加一个简单的容性负载。这将影响驱动输出的动态功率。
- 第五步也是最后一步是分析最终结果。
确保结温不超过，功耗在工程预算范围内。如果散热或功率特性不在目标范围内，请调整环境特性或设计的资源和功率特性，直至达到可接受的结果。如果不满足热预算，确定设计中哪些组件使用最多的功率，评估活动率，并减少多余的信号功率或多余的设备利用率。尝试影响设计尺寸、信号数量或活动率的合成选项，或启用有利于功率优化或面积最小化的设置。如果可能，放松时间约束以限制逻辑复制的数量。
使用实现工具，启用有利于电源优化的实现工具设置，或者使用phys_opt_design来管理信号的复制并减少路由资源。很多时候，可以进行权衡，以在更紧凑的功率预算下获得所需的功能。最好在设计过程的早期探索这些选项。
四、导出XPE结果
XPE中的Summary工作表有一个Export File按钮，它以不同的格式输出报告。
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XPA设置
XPA设置(*. XPA)文件允许将XPE设置应用于XPower Analyzer会话。该工具通常在设计周期的后期使用，当执行站点和路由功率分析时。
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功率报告文本
文本功率报告(*.pwr)以文本格式将摘要表上的所有信息保存在一系列表格中，以便于阅读信息。
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XPE文件
XPE电子表格的内容存储在一个较小的文件中，然后可以通过将其导入另一个电子表格来恢复该文件。
- XDC文件
XDC约束文件(* XDC)以Xilinx设计约束文件的形式导出XPE环境、散热和预算信息。XDC导出功能仅适用于UltraScale设备和XPE电子表格。然后可以在Vivado Design Suite项目中获取该文件，以获得相同的设计约束。
五、通用设备的增强XPE工具
用于通用设备的增强Xilinx Power Estimator工具是一个复杂的Microsoft Excel电子表格。因此，它只能在微软的Windows操作系统下运行，并且严重依赖宏。对于那些熟悉以前版本的XPE工具的人来说，有几个值得注意的变化。
首先，用户可以选择气流，散热器和物理板参数的环境设置已被删除，以鼓励用户利用完整的热模拟功能。
接下来，时钟参数只能通过向导输入，以确保精确的时钟功率计算。这有助于该工具根据在其他选项卡中输入的资源确定适当的时钟扇出。
最后，有一些选项卡用于在Versal ACAP设备中找到的新功能。有一个选项卡用于估计NoC和DDR内存控制器功率。此选项卡邀请用户估计数据路径和速率，并可以输入NoC编译器的XPE输出文件以提高准确性。类似地，有一个选项卡用于人工智能引擎。值得注意的是，人工智能引擎编译器和模拟器的XPE文件提供了更准确的模拟，
请参阅Xilinx Power Estimator User Guide for Versal ACAPs (UG1275)了解更多信息。您可以在参考资料选项卡中找到该用户指南的链接。
总结
1、在设计周期的早期阶段进行准确的功率计算，可以减少后期出现的问题；
2、Xilinx Power Estimator电子表格可用于估计所有AMD Xilinx fpga的功耗和结温；
3、Xilinx Power Estimator电子表格使用默认活动率来计算总平均功耗，导入活动率信息使动态功率估计更加准确。