一种低功耗一种低功耗FPGA技术的设计和实现技术的设计和实现
一、前言 现在，有许多单片机应用领域，都是用电池供电，节能成为设计工程师普遍关心的问题。希望大
家就这方面展开讨论。以下提供一些讨论的方向： 1、如何降低系统功耗？（软件？硬件？） 2、各位
在这方面有何经验教训？（可以拿出来与大家分享） 3、各种芯片的功耗比较？ 4、SLEEP模式应用的
注意事项？ 5、一些新型的节能器件的介绍？ 6、其它与低功耗设计相关的话题？…… FPGA在各
种电路设计中广泛应用，如何对FPGA系统进行低功耗优化成为一个重要的现实问题。从最早的FPGA功耗模型
的建立[1],到较完善的 FPGA功耗估算模型[2],再到现在功耗估算工具的出现[3]
一、前言 一、前言
现在，有许多单片机应用领域，都是用电池供电，节能成为设计工程师普遍关心的问题。希望大家就这方面展开讨论。以
下提供一些讨论的方向：
1、如何降低系统功耗？（软件？硬件？）
2、各位在这方面有何经验教训？（可以拿出来与大家分享）
3、各种芯片的功耗比较？
4、SLEEP模式应用的注意事项？
5、一些新型的节能器件的介绍？
6、其它与低功耗设计相关的话题？……
FPGA在各种电路设计中广泛应用，如何对FPGA系统进行低功耗优化成为一个重要的现实问题。从最早的FPGA功耗模
型的建立[1],到较完善的 FPGA功耗估算模型[2],再到现在功耗估算工具的出现[3],FPGA设计时对功耗的预估已经越来越准确，
节约功耗的方法也越来越多样。本文基于 FPGA功耗的预估，提出将影响功耗的因素做为功耗函数的参数，根据参数取样并预
估样点功耗找到功耗函数的最小值，从而得到最佳参数以优化系统设计并节约系统功耗的方法。本文涵盖Actel eX系列以及
SX/SX-A系列器件，详细描述了器件的结构特点与设计技巧。
二、抗熔断型 二、抗熔断型FPGA的结构与特点的结构与特点
FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进
一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了
原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消
耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会
提供便宜的但是编辑能力差的FPGA.因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，
然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。
爱特公司 （Actel Corporation） 是非易失性、低功耗及混合信号FPGA,以及可编程逻辑解决方案的全球领导厂商。爱特
致力通过运用业界最低功耗的FPGA系列，以及独有的混合信号FPGA,在芯片及系统级上进行功耗管理，为系统设计人员提高
竞争优势。爱特公司于1985年成立，是纽约纳斯达克交易所 （NASDAQ） 上市企业，代号ACTL.爱特于上海、香港、台北、
东京和首尔设有办事处，并在中国大陆和亚洲主要城市建立了完善的分销商网络。
Actel公司的抗熔断型FPGA是用先进的CMOS工艺制作的，内部采用专利的金属-金属抗熔断元件。抗熔断互连就象纯金
属互连一样，而与用晶体管开关的SRAM互连截然不同。抗熔断结构消除了CRAM互连开关中图腾柱结构的功耗，并且缩小了
器件的尺寸，使全部连线资源都位于硅片的顶部。这种结构可以更形象地用掩埋在金属层上的"模块海洋"来描述，极大地减少
了芯片的尺寸以及开关的电阻与电容，从而降低了功耗（图1）。
分段式连线资源 分段式连线资源
该类器件采用分段式连线资源，其容量是连线的长度，宽度和负载的函数。分段式连线较全长式短，因而电容也较小。分
段结构还允许切断未使用连线，进一步减小了电容。当信号需要传输较长距离时，可将多个线段连接在一起，这是通过连线开
关完成的。由于这类开关是快速且低功耗的，因此不会增加功耗与延时。eX以及SX/SX-A结构采用称为Fastconnet与
Directconnect两种创新的局部连线资源将逻辑块连接在一起。此外，器件还具有由不同段长度组成的其它连线资源，以备需
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