Vivado功耗基础之功耗评估器XPE使用详述

目录

一、前言

二、XPE环境配置

2.1 XLSM下载

2.2 EXCEL启用宏

2.3 打开XLSM

三、XPE操作

3.1 单元格颜色含义

3.2 Settings表格

3.3 片上功耗表格

3.4 电源供电表格

3.5 总结表格

3.6 工具栏

四、参考资料

     XPE(Xilinx Power Estimator)是一个在工程的预设计阶段或预实现阶段的功耗评估工具，通过提供设计的资源使用，信号翻转率，I/O数量，和其他的信息，然后评估出功耗的分布。XPE工具评估的模型数据来自实测，仿真以及相关推导，评估值的精确度由2个方面决定

1）器件类型，组件配置，时钟，使能信号，翻转率和其他输入到工具的信息

2）集成到XPE的器件数据模型

    XPE主要使用在RTL描述不完全或设计周期的早期阶段进行功耗的预估，XPE 也可在设计周期的任何阶段估算设计功耗以及提供热性能信息，在设计实现阶段后，是使用XPA(Xilinx Power Analyzer功耗分析器)或者Report Power流程可以获取更精确的功耗值。

    Vivado中时序相关的各种分析都是在Vivado中有相关菜单或tcl命令，XPE则相对特殊，本质上是一个表格，也不是在Vivado中打开，XPE使用环境配置主要包括两部分：下载对应系列器件的XLSM文件和EXCEL启用宏

XLSM文件即是XPE的核心，可在AMD官网下载，下载前需先登录https://china.xilinx.com/products/technology/power/xpe.html，下图是官网显示的个系列器件对应的xlsm文件，在7系列以前的文件还是xls格式。

    网上搜索很多指导操作，这里大致说一下以Excel2013为例，进入“文件-》选项-》信任中心-》信任中心设置-》宏设置-》”，选择“启用所有宏”

解压下载的xlsm压缩包后，选择用excel打开

打开后界面如下，首界面为summary，各个子表是对各个模块的设置如，clock，logic，IO等

功耗评估是一个复杂的流程，因为极度依赖设计中逻辑的数量以及逻辑的配置。为了获取精确的评估值，用户输入的信息如资源使用，时钟频率，翻转率尽可能准确，尽量按照以下规则

1）提供器件类型，封装和速率

2）设计中期望的资源

3）时钟频率

4）数据翻转率

5）接口处外部存储器和收发器的数据速率

6）温度环境

下面，将对Summary表格进行一个详细说明

在XPE的各子表中，可看到不同颜色的单元格，每种颜色的含义如下

    Settings表格中由Device,Environment,PL Implement组成，device中设置器件信息，温度等级以及工艺，其中电压ID使用在7系列需要设置

 温度等级由5个等级，商业级（0-85°）、扩展级（0-100°）、工业级（-40-100°）、Q级（-40°-125°）、军事级（-55°-125°）。

在环境Environment中主要设置结温以及环境温度，ΘSA描述热量传输到周围环境的影响，ΘJB表示PCB对于器件结温的影响。3 PL Implement选项在不同系列中显示不同名称，早期的显示为ISE，Zynq系列显示为PL Implement,UltraScale和UltraScale+显示为Implement，该选项主要影响动态功耗。示例器件为zynq ultrascale+系列，PL Implement中包含的选项如下图

    片上功耗表格内容如下，包含了器件静态功耗，用户设计的静态功耗和动态功耗，该表格数据有助于确认是否存在潜在的功耗优化区域。同时点击里面的资源如CLOCK，则会跳到Clock子表中

表格显示了不同电源域下的功耗，在各个电源域支持的电压范围内可以进行电压设置。

各个电源名称的供电范围见下表

Total on-chip power包含了器件所有电源域的功耗，热功耗，即=核心动态功耗+IO功耗+器件静态功耗+收发器功耗

Junction Temperature中当评估的温度超过选定温度等级的有效范围时，背景会变成橘黄色。

温度边沿：当评估的结温超过指定的最大值时，温度边沿为负值

有效ΘJA：用于描述热量从Die中传输到环境中，该值来自environment中的设置值，如果对于芯片运行环境进行过热仿真，则可将实际值填入

除了上述主要的设置与结果表格，还有一个常用的是工具栏，其中使用较多的是Export File和Reset to Defaults

Export File可将设置以及结果文件导出，pwr为导出的报告；xdc为约束文件，可用在vivado运行report power前。xpa为设置文件，xpa可以导入到XPA中使用；xpe为导出交换文件，即将XPE的表单导出成小文件，然后将其导入其他表单中进行保存。

pwr报告部分内容

xdc内容

xpa部分内容

xpe内容

Reset to Defaults则是将XPE的所有状态恢复到默认设置，即刚打开的状态。

Quick Estimate是可以简单的配置，主要设置一些主要配置，进行一个大致的评估

Export File是将设置文件xpe导入到XPE、XPA中。

Manage IP则是可以添加IP到设计中进行评估功耗

Snapshot是将当前设计的功耗状态保存到XPE的snapshot表格中，包含了器件信息，环境信息和功耗信息以及每个电源域的电流，每点击snapshot一次便会在snapshot表格中保存一次当前的状态

下面是对5次状态的保存，可以看出snapshot4和snapshot5内容相同，是因为没有任何修改点击了两次snapshot，snapshot的优点很明显，比较直观的对各种设置下功耗对比，从不同角度进行功耗分析。

用户手册《ug440-xilinx-power-estimator-en-us-2023.2.pdf》