CoolRunner™-II CPLD のためのXPower 概 要 • • • • • • • • • • デザインの消費電力を考察 CMOSデバイスの消費電力の基本 CoolRunner-II CPLDの消費電力を計算 XPowerのCoolRunner-II CPLDに対する仮定事項 XPowerのCoolRunner-IIに対する消費電力モデル CoolRunner-II CPLDの消費電力ネットのランキング Activity rates（活動率） データ入力方法 CoolRunner-II消費電力予測の精度を改善 設計例 目 的 • • • • • • • • • CoolRunner-II CPLDの消費電力 XPowerのCoolRunner-II CPLDに対する仮定事項 デザインにCoolRunner-IIの消費電力モデルを適用 CoolRunner-II CPLDの最も消費電力の高い配線 活動率の種類 データ入力方法の種類 CoolRunner-II消費電力予測の精度を改善 XPowerに異なるマクロセル構成を適用 XAPP360 消費電力の考察 • 電源の要件 – – – – バッテリ DC/DCコンバータ AC電源ソース 電源電圧 • 熱要件 – パッケージの種類 – 動作環境 – 産業用アプリケーション • CoolRunner-II CPLD – – – – 低消費電力 低い接合温度 高度に予測可能な消費電力 高速 • XAPP360 – http://www.xilinx.co.jp/xapp/xapp360.pdf CMOSデバイス内の消費電力 • 総合電流は2種類の電流で構成される – 静的（Static） – 動的 （Dynamic） • 静的電流 – オフ状態のトランジスタ・チャンネルでの漏れ電流 – 理想的にはゼロ – 総合電流の固定コンポーネント（要素） • 動的電流 – CMOSゲートのスイッチングで、リニア領域にあるとき に遷移電流が生じる • 遷移時間は非常に高速 • 比較的小さなコンポーネント（要素） – 後 続 のロジ ック ・ エレ メ ントに お け る容量性ポリ ・ ゲートのチャージ（充電）とディスチャージ（放電） – XPowerは、その消費電力モデルにおいて、遷移電流 と容量性電流を組み合わせている CoolRunner-IIの消費電力の計算 • 動的電流を計算するのは非常に骨の折れる作業である • この計算にXPowerは必要不可欠 • 動的電流の計算式 I Dynamic = C × V ×f • 総合電流の計算式 ITotal = I Dynamic I Static ITotal = C V f I Static • 総合消費電力の計算式 PTotal = ITotal V CoolRunner-II CPLDに対する XPowerの仮定事項 • 電圧 – 仕様書の動作制限範囲内 – 一定（スパイクとくぼみは無いものとする） – ユーザは適切な値を入力する必要がある • タイミングと周波数 – 仕様書の動作制限範囲内 – 制限範囲を越える動作に対しては、消費電力の計算は不正確になる • 入力遷移時間 – 1.5 ns – 研究室では1.5 nsで相関を取っている – 実際の遷移時間が1.5 nsより遅い場合は： • 実際の消費電力は増大する • XPowerのデータは実際よりも少なく計算される • 集合容量 – ロジック・エレメント（積項、など） – 消費電力モデルを生成するのに使用される CoolRunner-IIの消費電力モデル • CoolRunner-IIアーキテクチャの簡略化モデル • 幾分かコード化されたネット名 – FB1_PT12 • ファンクション・ブロック#1の積項#12 – FB1_3_Q • ファンクション・ブロック#1のマクロセル#3のQフリップフロップ出力 – FB4_12_I • ファンクション・ブロック#4のマクロセル#12の入力配線 CoolRunner-IIの消費電力モデル • ユーザにより調整可能な配線 – – – – – – I - I/Oからの入力 Q -フリップフロップ出力 FB – AIMへのフィードバック PT -積項出力 MC_CLK -マクロセル制御入力 OR - OR項の出力 • ユーザにより調整不可能な配線 – – – – AIM -インターコネクトアレイ AND – レジスタへの入力 MC_OE – 出力イネーブル信号 RST/PST – レジスタのReset/Preset 入力 CoolRunner-IIの消費電力 • 消費電力の大きい順に並べた配線 – – – – – – – – – – – – – 外部容量–非常に高い O –高い GCK -高い-デバイス集積度の高いほど大きい FB -中程度-デバイス集積度の高いほど大きい AIM -中程度 I – 低い – 差別入力のための方法 PT -低い OR -低い AND –非常に低い MC_CLK -非常に低い RST/PST -非常に低い MC_OE -非常に低い Q -非常に低い Activity Rate • 絶対周波数 – MHz単位のネットの周波数 – CoolRunner-II CPLDの全ての配線 （Qを除く）は絶対周波数で指定される • トグル・レート – クロック周波数のパーセンテージ • パーセンテージ値として入力される • クロック周波数に基づきMHzで表示される • 100%のトグル・レートはクロックの1/2の周波 数となる – CoolRunner-II CPLDのQ配線 • グローバル・クロックのみに基づく • 積項クロックあるいはUTCクロックを使う場合、 絶対周波数のデータを与える – 「…としたらどうなるのか」のシナリオに最適 データ入力方法 • 手作業によるデータ入力 – – – – 最も正確、しかし最も骨の折れる手法 CoolRunner-IIアーキテクチャの非常に詳細な知識が必要 全ての配線に対する活動率を指定する必要がある デザインに依存するが、全ての配線に対する活動率を決めるのは ほとんど不可能に近い • 予測活動率（Estimate Activity Rates）ツールを使用 – ユーザによってセットされていない配線については、アルゴリズム がその絶対周波数を予測する – トグル・レートは予測しない – 労力は省けるが、手作業によるデータ入力に較べると正確性に 欠ける – 全てのプライマリ（主要）I/Oに対してはその絶対周波数を手作業で 入力しなければならない – 隠れレジスタを含めて全てのトグル・レートは手作業で入力する 必要がある データ入力方法（続き） • ModelSim XEによるシミュレーション – 最も簡単な方法 – Value Change Dump（VCD）ファイルが周波数データ を含んでいる – 十分に長時間のシミュレーションが必要 – 現在、トップレベルのネットだけがVCDファイルに 含まれている – 残りのプライマリI/Oと隠れレジスタを含むレジスタ については手作業で編集する必要がある – 予測活動率ツールを使用 Estimate Activity Rates（予測活動率） ツール • 絶対周波数だけをセットする • 自動的にセットされる配線 – – – – – – – – – – – O GCK I FB AIM PT AND OR MC_CLK RST/PST MC_OE • 自動的にセットされない配線 – 外部容量 – Q 精度を改善 • 外部の容量負荷 – I/Oピンに接続された負荷 • 基板のトレースの容量 • 外部デバイスの容量性負荷 – この負荷を充放電するためにVccとGNDピンから電流が 引き出される – 消費電力の大きなソース • 消費電力に大きな影響を及ぼす • 消費電力を低減するには外部負荷を減らす – 消費電力予測を正確に行うには • XPowerに正確な容量値を入力する • 外部負荷の正確な絶対周波数を入力する 精度を改善（続き） • マクロセルのコンフィギュレーション – ユーザは積項数に関する情報は与えられていない – AIMは非反転バッファとしてモデル化されている – マクロセルには多種のコンフィギュレーションがあるが、 これは理解可能である – この情報は次のものに最も有用である • 手作業によるデータ入力手法 • 予測活動率ツールをダブル・チェックする場合 – マクロセルには適切な活動率情報が必要である • 精度を改善 • 全ての配線活動率のソース レジスタ出力のマクロセル • 下記の配線の活動率をセット する – I – 入力信号 • 絶対周波数 – GCK – グローバルなクロック • 絶対周波数 – Q – レジスタ出力 • トグル・レート • XPower により自動的にセット された配線の予測活動率 要 約 • XPowerは次のものに必要である – 低消費電力デザイン – 熱制限があるデザイン – バッテリ駆動のデザイン • ModelSim XEによるシミュレーション – – – – 最も簡単な方法 データ入力時のエラーの機会を減らす 正確な活動率情報を提供する 少しの配線に関しては、ユーザがXPowerで修正する必要がある • CoolRunner-II CPLD – 業界で最も低消費電力のCPLD – ハンドヘルド、バッテリ電源のデザインに優れている – XPowerを使うと、設計者自身のデザインを使って消費電力の節約を 見ることが容易 • CoolRunner-II に対するXPower のサポートは ISE 6.1i で利用可能
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