【正文】 通過對比還發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的全周長式 pin 分布結(jié)構(gòu)的性能要好于最優(yōu) 情況下 的上下式 pin 分布結(jié)構(gòu)。 正是基于這種思路，國內(nèi)外很多研究人員進(jìn)行了從研究到商用的轉(zhuǎn)化實(shí)踐，這其中典型的代表是 UCLA 的 Jason Cong 教授于 1998 年創(chuàng)立的 Aplus 公司。電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 第二章 FPGA 多標(biāo)準(zhǔn)兼容可編程 I/O 相關(guān) 技術(shù)研究 架構(gòu)技術(shù)研究 學(xué)術(shù) FPGA 架構(gòu) 技術(shù) 研究 FPGA 算法研究 對于設(shè)計(jì) FPGA 芯片這樣一個(gè)系統(tǒng)工程而言，僅僅從 FPGA 的硬件結(jié)構(gòu)方面去 進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮是完全不夠的。因此，需要從 架構(gòu)與算法的角度 研究 和 分析 FPGA 架構(gòu) 設(shè)計(jì) 技術(shù) ， 本 章 節(jié) 即 針對 學(xué)術(shù) 與 商業(yè) FPGA 架構(gòu) 和算法 進(jìn)行 了 介紹 。 針對該電路進(jìn)行測試方案設(shè)計(jì)，以便于投片后芯片的測試。 (5)、向高速、高密度的百萬門級發(fā)展。與以往的芯片設(shè)計(jì)不同， SOPC 需要對設(shè)計(jì) IC 和在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)的方法進(jìn)行根本的重新評價(jià)。 (2)、 復(fù)旦微電子： 采用 工藝，研發(fā) 10 萬門規(guī)模器件及軟件系統(tǒng)原型；取得多項(xiàng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果；取得 863 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的支持。 國內(nèi)在可編程邏輯器件領(lǐng)域還處于起步階段，國內(nèi)多家研制單位作了大量基礎(chǔ)性的工作，并取得了階段性的科研成果，為軍用可編程邏輯器件的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。為了彌補(bǔ)這一不足，Actel 公司推出了非易失性、可重復(fù)編程的 FPGA 產(chǎn)品 ProASIC 和 ProASIC PLUS，其特征參數(shù)如表 14 所示。由于采用了獨(dú)特的反熔絲硅體系結(jié)構(gòu)， Actel 公司的 FPGA 產(chǎn)品具有可靠性高、抗輻射強(qiáng)、能夠在極端環(huán)境條件下使用等特點(diǎn)，因而被美國宇航局的太空飛船、哈勃望遠(yuǎn)鏡修復(fù)、火星探測器、國際空間站等項(xiàng)目所采用。圖 14 給出了 ALTERA 公司 FPGA 產(chǎn)品的型號譜圖。大多數(shù)高級系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要 FPGA 的可編程能力。 Xilinx 于 20xx 年又推出了其最新系列的產(chǎn)品 VIRTEX?5 系列，該系列提供 FPGA 市場中最新最強(qiáng)大的功能。器件尺寸達(dá)到 65nm，規(guī)模達(dá)到千萬門級。 目前，我軍所使用的 FPGA 器件 主要 依賴于從美國的 Xilinx、 Altera 和 Actel這三家公司進(jìn)口，這種現(xiàn)象已經(jīng)引起我軍科研管理單位的高度重視。 所有 FPGA 在出廠之前都做過百分之百的 故障 測試 ， 保證了出廠芯片的功能正確， 設(shè)計(jì)人員只需在自己的實(shí)驗(yàn)室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終設(shè)計(jì)。可以說， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此工作時(shí)需要對片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。 用戶可對 FPGA 內(nèi)部的邏輯模塊和 I/O 模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。 對于 ASIC 與沒有使用嵌入式硬核基于 LUT 的 FPGA(圖 12)而言， ASIC 與FPGA 的延遲性能大概相差 12～ 14 倍，并且該結(jié)果針對 ～ 90nm 的 CMOS工藝都是基本適用的。另外，采用 SRAM 技術(shù)編程的 FPGA 所需芯片 面積 是 最大的，這是 由于 通常一個(gè) SRAM 單元都需要 5～ 6 個(gè)單管組成 [3]。 隨著 FPGA 在功能、密度、速度上的不斷提升 與 成本的降低，用戶需求 與 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的變化， FPGA 芯片 由于其便利的可升級性， 不但被用來制作原型機(jī)，而且還被大量地應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)電子、科研、航天及國防的許多最終產(chǎn)品中，成為一系列電子系統(tǒng)的核心。因此， FPGA 被廣 泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中，幾乎所有應(yīng)用門陣列、 PLD 和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用 FPGA 器件。 基于以上原因 ，國內(nèi)在 可編程邏輯器件領(lǐng)域 尚 處于起步階段，研究大 多 集中于電路綜合和布局布線算法理論。由于 FPGA 產(chǎn)品 具有上市時(shí)間短、設(shè)計(jì)成本低、便于升級與重復(fù)使用的特點(diǎn)，目前 被 廣泛應(yīng)用在通信、航天、航空、導(dǎo)航、遙感、遙測、程控交換機(jī)等軍、 民用領(lǐng)域 [1]。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為 利 用 SRAM 技術(shù) 的 在系統(tǒng)可編程 特性 ， 結(jié)合模擬電路設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，提供了一種能夠同時(shí)滿足多標(biāo)準(zhǔn)接口應(yīng)用與可動(dòng)態(tài)配置 要求的 I/O摘 要 II 接口電路結(jié)構(gòu)。因此， 越來越多的電路設(shè)計(jì)公司開始 逐漸 使用 FPGA 作為產(chǎn)品研發(fā) 與 測試 的 硬件 平臺。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。作為專用集成電路 (ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路 產(chǎn)品 ， 該產(chǎn)品 既解決了定制電路的不足，又避免 了原有可編程器件門電路 資源 有限的缺 點(diǎn)。其中 I/O 管腳資源為 180 的 FPGA 產(chǎn)品具有 小于 的 輸入延時(shí)和小于 的輸出延遲， 并 能夠滿足 FPGA 芯片 200MHz 的最高工作頻率 。 關(guān)鍵詞： FPGA 可動(dòng)態(tài)配置 I/O 多標(biāo)準(zhǔn) 5V 容許 WeakKeeper ABSTRACT III ABSTRACT FPGA was the abbreviation of the Field Programmable Gate Array .It was base on the programmable divices ,such as PAL and offset the ASIC39。由于外資的巨大貢獻(xiàn)，中國的整機(jī) 制造 產(chǎn)業(yè) (包括計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備制造和視聽產(chǎn)業(yè) )仍 具有較強(qiáng)的國際競爭力，而本土 的 元器件 研發(fā) 產(chǎn)業(yè)在全球所占的份額則十分有限。這種器件兼容了 PLD 和通用門陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。目前，在市場上比較常用的是 Xilinx 和 Altera 公司的 FPGA 器件。 圖 11 5 管 SRAM 配置單元 SRAM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝，可重復(fù)設(shè)計(jì)和在系統(tǒng)可重配置。一般說來， ASIC 主要針對大批量生產(chǎn)的專用產(chǎn)品，以盡可能的降低生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本。在相同性能的條件下，使用硬核的 FPGA 和 ASIC 相比，面積增大 5 倍，動(dòng)態(tài)功耗增大 ～ 12 倍，速度慢 ～ 倍 [4]。通過軟件仿真，可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需換一片 EPROM 即可。綜合看 來， FPGA 更加符合未來電子行業(yè)的發(fā)展，在未來必將得到更為廣泛的應(yīng)用，并將逐步取代 ASIC，在電子產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮巨大的作用。因此，越來越多的軍用電子設(shè)備開始廣泛使用 FPGA 來進(jìn)行武器裝備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 國外 研究現(xiàn)狀 目前，國外的 FPGA 的設(shè)計(jì)技術(shù)和加工工藝成熟，產(chǎn)品門類齊全，可以提供上百個(gè)系列品種，芯片集成度已達(dá)到上百萬門，并廣泛應(yīng)用于通信、航天、航空、導(dǎo)航、遙感、遙測、程控交換機(jī)等軍、民用領(lǐng)域。目前 Xilinx 滿足了全世界對 FPGA產(chǎn)品一半以上的需求。 LXT 和 SXT 器件還包含針對增強(qiáng)型串行連接的電源優(yōu)化高速串行收發(fā)器模塊、一個(gè)符合 PCI Express? 的集成端點(diǎn)模塊和三態(tài)以太網(wǎng) MAC(媒體訪問控制器 )。芯片內(nèi)部最高工作頻率可達(dá) 550M[6]。目前FLEX8000 已停產(chǎn)， FLEX6000 和 FLEX10K 已經(jīng)較少使用，基本被 ACEX1K 和CYCLONE 取代，目前 ACEX、 APEX、 CYCLONE 和 STRATIX 系列為該公司的主流產(chǎn)品 [7][8][9]。 該公司主要有兩大方向產(chǎn)品，反熔絲 FPGA 產(chǎn)品有四大系列 —MX高速系列、SX/SXA 系列、 EX 系列和 AX 系列，如表 13 所示 。 相比之下， XILINX 公司的結(jié)構(gòu)要簡單直觀一些，資源配置更為靈活， ALTERA從布線互連上，要稍微復(fù)雜一些，但它的布線延遲是可以估計(jì)的。 百萬門級 FPGA 芯片設(shè)計(jì)方法與研究取得階段性成果。特別是引人注目的所謂 FPGA 動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的開拓，將推動(dòng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念的巨大轉(zhuǎn)變。這些 IP 庫都是預(yù)先定義、經(jīng)過測試和驗(yàn)證優(yōu)化的，可保證正確的功能。 本文主要內(nèi)容有以下 幾點(diǎn)： 使用 Xilinx 公司的 XCV100 芯片進(jìn)行試驗(yàn)，通過 ISE 軟件修改配置點(diǎn)，得到在各種接口標(biāo)準(zhǔn)情況下的輸入輸出驅(qū)動(dòng)能力變化情況和配置文件。該產(chǎn)品目前 可 根據(jù)用戶需要 提供多種陶瓷封裝形式的產(chǎn)品。 第五章： 提出了 FPGA 系列產(chǎn)品中模擬電路的設(shè)計(jì)方法，并總結(jié)出一套行之有效的 FPGA 系列產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)流程 。其后相關(guān)的研究迅速減少，直至近年來才又出現(xiàn)一些針對面積優(yōu)化、或在延遲最優(yōu)前提下 減少面積的研究如 IMAP[14], Hermes[15]等。因此，一般選擇 LUT 的輸入端數(shù)目在 4～ 6 之間 [17]。只要 Rh選取的數(shù)值合適，隨著長寬比的增加，可用 I/O 數(shù)目也相應(yīng) 增加，但是芯片面積增加并不大，因此在設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) FPGA 時(shí)經(jīng)常選擇全周長式四周分布。 FPGA 整體架構(gòu) 研究 根據(jù)相 關(guān) 研究資料，選擇以 SRAM 陣列作為配置比特流的存儲單元，以多輸入 LUT 構(gòu)成基本的可配置邏輯單元。這些算法大體都是基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃、裝箱(binpacking)， BDD 邏輯化簡等方法。 在 本章 節(jié) 還介紹了全局時(shí)鐘輸入端口的設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)方法。 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為利用 SRAM 陣列的設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程的特性，結(jié)合模擬電路設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，提供了一種能夠同時(shí)滿足多標(biāo)準(zhǔn)接口應(yīng)用與可動(dòng)態(tài)配置要求的 I/O 接 口電路結(jié)構(gòu)。 主要內(nèi)容 、創(chuàng)新 及 論文 安排 本課題來源為總裝備部國防技術(shù)重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目和國家 863 高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 14 劃，項(xiàng)目應(yīng)用于國防重點(diǎn)工程。因此，無論那個(gè)廠家、哪種類型的產(chǎn)品，都在瞄準(zhǔn)這個(gè)方向而努力； (3)、 IP 庫的發(fā)展及其作用。但是到目前為止，國內(nèi)的FPGA 芯片設(shè)計(jì)仍然主要集中在 3 萬 —10 萬系統(tǒng)可用門數(shù)的學(xué)術(shù)性芯片研究設(shè)計(jì)方面，尚無能夠真正符合工業(yè)、商業(yè)應(yīng)用需求的成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，尤其是沒有支持多種接口標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境和自帶延遲鎖相環(huán) DLL 功能的芯片出現(xiàn)。 基于 EEPROM 工藝、 EPROM 工藝的 GAL20V GAL22V EP220 等低密度可編程邏輯器件研發(fā)完成。 (4)國外 FPGA 技術(shù)橫向比較： 基于國外最大三家 PLD 廠商，其產(chǎn)品性能比較如表 12： 第一章 緒 論 11 表 12 國外不同廠家 FPGA 性能比較 公 司 比較 項(xiàng)目 XILINX ALTERA ACTEL 整體 結(jié)構(gòu) 對稱陣列 層次互聯(lián) 模塊海結(jié)構(gòu) (反熔絲系列 ) 分段布線 (Flash 系列 ) 組合 邏輯 功能 單元 查找表 查找表 多路選擇器 組合邏輯門 互連 方式 很多的開關(guān)矩陣，布線靈活，但延遲不可估計(jì)，連接 IOB 和 內(nèi) 部 邏 輯 的VersaRing，也使 IO 配置更為靈活 層次化，但延遲可估，IOB 直接和橫向、縱向布線通道相連 反熔絲連接方式，速度快，集成度高，但不能被重復(fù)編程； Flash 系列，用單管的布線開關(guān)代替六管開關(guān)矩陣，減小了芯片面積，但速度較慢。器件中的反熔絲正常為開路，被編程后永久低阻抗連接，位于垂直和水平交叉的每個(gè)相交點(diǎn)上。除了早期型號 FLEX 系列沒有內(nèi)嵌存儲器之外，后來的系列都內(nèi)嵌了存儲邏輯塊，部分高端產(chǎn)品還嵌入 DSP 或者ARM 微處理器。強(qiáng)大的時(shí)鐘管理模塊 (CMT)時(shí)鐘控制，具有零延遲緩沖、頻率綜合和時(shí)鐘相移功能的數(shù)字時(shí)鐘管理器模塊，具有輸入抖動(dòng)濾波、零延遲緩沖、頻率綜合和相位匹配時(shí)鐘分頻功能的 PLL 模塊。該系列主要由 LX、 LXT、 SXT 和 FXT 四個(gè)平臺構(gòu)成，其中 VIRTEX5 LX 是針對高性能通用邏輯應(yīng)用， VIRTEX5 LXT 是針對具有高級 串行連接功能的高性能邏輯， VIRTEX5 SXT 是針對高性能信號處理應(yīng)用， VIRTEX5 FXT 是針對高性能嵌入式系統(tǒng)。下面針對國外各大可編程器件廠商的產(chǎn)品進(jìn)行介紹 [5]。以上兩方面都明確的表明研制軍用級 FPGA 芯片已迫在眉睫、刻不容緩。一方面，這是由于軍用集成電路的種類繁多，如果使用ASIC(專用集成電路 )技術(shù)去實(shí)現(xiàn)的話存在設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期長、投資成本高、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)大的缺點(diǎn)。同時(shí)，由于沒有 NRE 成本，因此可以充分地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠反復(fù)使用。可以毫不夸張的講， FPGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能 CPU,下至簡單的 74 電路，都可以用 FPGA來實(shí)現(xiàn)。硬核的使用大大降低了 FPGA 的芯片面積和動(dòng)態(tài)功耗，但是對于芯片速度的提升而言影響不是很明顯，因此要根據(jù)具體的應(yīng)用要求來選擇合適的 FPGA 使用方法。 ASIC 是專用集成電路的英文簡稱?；谠摲N編程技術(shù)的 FPGA 的 可編程互聯(lián)、可編程 I/O、 CLB 單元的的配置信息都存儲于 SRAM 陣列中?？删幊虄?nèi)部互連包括各種長度的線段和編程