【文章內(nèi)容簡介】 ，目前 被 廣泛應用在通信、航天、航空、導航、遙感、遙測、程控交換機等軍、民用領(lǐng)域 [1]。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊 IOB(Input Output Block)和 內(nèi)部連線 (Interconnect)三個主要部分。對于一個實際投入商業(yè)與工業(yè)應用的 FPGA 而言，沒有 I/O 接口、上電復位和電源系統(tǒng)等模擬電路模塊就不能保證FPGA 在各種實際應用環(huán)境中正常工作 。 因此對于 投入 實際應用的 FPGA 產(chǎn)品 而言 ， 模擬電路的設(shè)計 是至關(guān) 重要 的 。 但是，由于中國集成電路產(chǎn)業(yè) 受到 產(chǎn)業(yè)高速增長與核心技術(shù)長期受制 國外技術(shù)壁壘 的雙重影響 ， 出現(xiàn) 了 產(chǎn)業(yè)規(guī)模 盲目 擴大與 產(chǎn)品 效益低下并存，外資大量進入與本土大企業(yè)缺失 并存 的尷尬局面。由于外資的巨大貢獻，中國的整機 制造 產(chǎn)業(yè) (包括計算機、通信設(shè)備制造和視聽產(chǎn)業(yè) )仍 具 有較強的國際競爭力，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。這一格局在客觀上反映了國內(nèi)的企業(yè)與科研院所尚不具備與跨國公司開展全面競爭 ， 中國電子信息產(chǎn)業(yè)仍處于加工組裝階段的現(xiàn)實 。因此，從某種意義上來講， 中國電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研發(fā)能力大而不強。 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。對于實際的 FPGA 芯片設(shè)計，尤其是商業(yè)化FPGA 芯片中模擬電路的設(shè)計與研究 尚未有成功先例 。 因此 ，掌握了 FPGA 模擬電路 設(shè)計 技術(shù)， 可以 加速 我國 FPGA 研制進程，縮短與先進 國家水平的差距，從而在軍事和國民經(jīng)濟各領(lǐng)域發(fā)揮良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 電子科技大學碩士學位論文 2 現(xiàn)場可編程門陣列簡介 所謂現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)是指可以方便地通過實時下載不同的配置位流文件 (bit stream)，而實現(xiàn)不同邏輯功能的門陣列芯片。 20 世紀 80 年代中期 ， Altera 和 Xilinx 分別推出了與標準門陣列類似的 FPGA，它具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。這種器件兼容了 PLD 和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與其它ASIC 相比，它們具有設(shè)計開發(fā)周期短、 設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點。與 PAL、 GAL 器件相比，它的優(yōu)點是可以實時地對內(nèi)置的 SRAM 或 EPROM 編程，以實時地改變器件功能，實現(xiàn)現(xiàn)場可編程 (基于 EPROM 型 )或在線重配置 (基于 SRAM 型 )。因此， FPGA 被廣泛應用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)之中，幾乎所有應用門陣列、 PLD 和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應用 FPGA 器件。 FPGA 通常包含三類可編程資源：可編程邏輯功能塊 、 可編程 I/O 塊和可編程互連?？删幊踢壿嫻δ軌K是實現(xiàn)用戶功能的基本單元，它們 通常排列成一個陣列，散布于整個芯片；可編程 I/O 單元實現(xiàn)芯片上邏輯與外部封裝腳的接口，圍繞著陣列于芯片四周 ?？删幊虄?nèi)部互連包括各種長度的線段和編程連接開關(guān)，它們將各個可編程邏輯塊或 I/O 塊連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。不同廠家生產(chǎn)的 FPGA 在可編程邏輯塊的規(guī)模，內(nèi)部互連線的結(jié)構(gòu)和采用的可編程元件上存在較大的差異。目前，在市場上比較常用的是 Xilinx 和 Altera 公司的 FPGA 器件。 由于 FPGA 能夠減少電子系統(tǒng)的開發(fā)風險和開發(fā)成本 (NRE)，同時有效的縮短上市時間 (time to market)，并且通 過在系統(tǒng)編程、遠程在線重構(gòu)等技術(shù)降低了維護和升級成本，因此在通信、控制、數(shù)據(jù)計算等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 FPGA 的發(fā)展推動了 先進制造工藝和封裝工藝 的出現(xiàn) ，通過全定制的電路和版圖設(shè)計方法 所進行的 設(shè)計 優(yōu)化， 使 FPGA 在邏輯密度、性能、功能和功耗方面得到大幅 改善 ，成本顯著下降。 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)議標準的變化， FPGA 芯片 由于其便利的可升級性， 不但被用來制作原型機，而且還被大量地應用到網(wǎng)絡(luò)、消費電子、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。 第一章 緒 論 3 SRAM 編程技術(shù)介紹 通過對 熔絲 、 EPROM、 EEPROM、 SRAM，反熔絲和 Flash 等可編程技術(shù)的研究，總結(jié)可編程邏輯器件可編程 技術(shù) 的特性，見表 11。 表 11 可編程開關(guān)技術(shù)比較 編程技術(shù) 可重復編程 易失性 制造工藝 熔絲 否 否 Bipolar EPROM 電路外 否 UVCMOS EEPROM 在電路 否 EECMOS SRAM 在電路 是 CMOS 反熔絲 否 否 CMOS+ Flash 在電路 否 Flash SRAM 編程技術(shù)最先使用是在 Xilinx 公司的 FPGA 產(chǎn)品中，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用在其他公司的 FPGA 產(chǎn)品 中 ?；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。圖 1－ 1 示出了 Xilinx 公司的一個 5 管 SRAM 配置單元，該單元是由首尾相連的兩個反相器和一個導通晶體管構(gòu)成的 [2]。 圖 11 5 管 SRAM 配置單元 SRAM 技術(shù)的優(yōu)點是采用標準 CMOS 工藝，可重復設(shè)計和在系統(tǒng)可重配置。缺點是易失性，每次斷電后 SRAM 的數(shù)據(jù)就不存在了。所以在使用 SRAM 型 FPGA時需要外掛存儲單元 (通常是 PROM)，這樣 在每次上電時，從存儲器中裝載配置數(shù)據(jù)。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 SRAM 單元都需要 5～ 6 個單管組成 [3]。 由于本次課題采用的制造工藝是標準 CMOS工藝，所以選擇 SRAM做為 FPGA內(nèi)部各個配置點配置信息的存儲單元，并且結(jié)合 SRAM 在系統(tǒng)可重配置的特性，利用模擬電路的設(shè)計方法，實現(xiàn)兼容多種接口標準的在線可重配置 I/O 接口電路的設(shè)計。 電子科技大學碩士學位論文 4 FPGA 和 ASIC 的對比 目前在電子行業(yè)使用比較多的產(chǎn)品主要有 ASIC和 FPGA，在這 兩 者之間 FPGA是最具有技術(shù) 優(yōu)勢的一種產(chǎn)品，并且具有逐漸取代 ASIC 的趨勢。 ASIC 是專用集成電路的英文簡稱。在過去的一段時間中， ASIC 設(shè)計技術(shù)一直是集成電路設(shè)計市場的主流。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)計成本。而 FPGA 由于其良好的可配置特性廣泛應用小批量的產(chǎn)品設(shè)計中，尤其是在 ASIC的原型驗證階段經(jīng)常使用 FPGA來構(gòu)建硬件平臺。但是隨著 FPGA 在性能、密度上的提升，以及芯片制造工藝的改進導致的 NRE 成本激增，使 ASIC 的市場逐漸被 FPGA 所占據(jù)。 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。不考慮性能的情況下，對于實現(xiàn)相同的邏輯功能而言，沒有使用硬核的 FPGA 比 ASIC 面積大 35 倍，動態(tài)功耗增加 14 倍以上。 圖 12 不包含嵌入式硬核的 FPGA 電路結(jié)構(gòu)圖 為了逐漸減小 FPGA 與 ASIC 之間的性能差異，尤其是降低 FPGA 與 ASIC 的功耗和面積差距，越來越多的嵌入式硬核被加入到 FPGA 芯片中去。硬核的使用大大降低了 FPGA 的芯片面積和動態(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)具體的應用要求來選擇合適的 FPGA 使用方法。而減小的芯片面積可以大幅度的降低互聯(lián)線電容和負載電容的影響，所以根據(jù)動態(tài)功耗的公式可以知道，隨著面積的減小，電容也相應減小，從而降低了芯片的動態(tài)功耗。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，動態(tài)功耗增大 ～ 12 倍，速度慢 ～ 倍 [4]。 第一章 緒 論 5 正是由于嵌入式硬核的使用，減小了 FPGA 與 ASIC 之間在性能上的差距。因此，在當今的 FPGA 設(shè)計中越來越多的嵌入式硬核被加入到 FPGA 結(jié)構(gòu)中去，最常見的有高速 I/O 接口電路、 RAM 陣列、硬件乘法器和 DLL 單元。 用戶可對 FPGA 內(nèi)部的邏輯模塊和 I/O 模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。 作為專用集成電路 (ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路， FPGA 既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。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來實現(xiàn)。 FPGA 如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以 通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，可以事先驗證設(shè)計的正確性。在 PCB 完成以后，還可以利用 FPGA 的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。使用 FPGA 來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，減少 PCB 面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 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，因此工作時需要對片內(nèi)的 RAM 進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后， FPGA 進入工作狀態(tài)。掉電 后， FPGA 恢復成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠反復使用。 FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、 PROM 編程器即可。當需要修改 FPGA 功能時，只需換一片 EPROM 即可。這樣，同一片 FPGA 通過使用不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此， FPGA 的使用非常靈活?？梢哉f， 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。 綜合以上各方面， ASIC 在產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模比較大時，能夠在降低生產(chǎn)成本方面有一定的優(yōu)勢。 FPGA 由于 可以用 VHDL 或 Verilog HDL 來 編程，靈活性 最 強， 并且 能夠進行編程、除錯、再編程和重復操作 。同時，由于沒有 NRE 成本，因此可以充分地進行設(shè)計開發(fā)和驗證。相比較于 ASIC， 當 設(shè)計的 電路有少量改動時，更能顯示出 FPGA 的優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以 用來進行系統(tǒng)升級或除錯，大大 延長 了 產(chǎn)品在市場上的壽命。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用，并將逐步取代 ASIC，在電子產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮巨大的作用。 電子科技大學碩士學位論文 6 市場需求 分析 FPGA 在我軍軍事裝備中被廣泛用于航空、航天、船舶、兵器、電子、核 能 等各研究所及工廠，為我軍裝 備 的 跨越式發(fā)展 與 技術(shù)性能的提高 提供 了良好 契機 與巨大潛力。 采用 FPGA 可快速 替代 原有的成熟 板級 電路 系統(tǒng) ，從而 大大 減小整機重量，且無需承擔投片風險， 利用 最 少的成本實現(xiàn) 軍用裝備 ―減重增程 ‖的目標。 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)計人員只需在自己的實驗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。所以，整機設(shè)計采用 FPGA 的方案，技術(shù)風險更小、開發(fā)周期更短，資金投入 更 小，節(jié)省了許多潛在的 故障檢測 花費。 為了符合我軍國防現(xiàn)代化的發(fā)展要求，軍用電子裝備對 FPGA 的需 求也呈現(xiàn)出了逐年增長的趨勢。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)去實現(xiàn)的話存在設(shè)計生產(chǎn)周期長、投資成本高、設(shè)計風險大的缺點。另一方面，由于國防技術(shù)的不斷發(fā)展和國防裝備現(xiàn)代化的需求，電子武器裝備的更新?lián)Q代逐漸加快，這就對電子武器系統(tǒng)的升級和維護提出了一定的要求，而 FPGA 具有升級方便、便于維護的特點。因此，越來越多的軍用電子設(shè)備開始廣泛使用 FPGA 來進行武器裝備的設(shè)計和生產(chǎn)。 但是 ， 目前國內(nèi) 所 使用的 FPGA 器件 全部 依靠進口， 并且 其核心生產(chǎn)設(shè)計和制造技術(shù)完全 被國外公司壟斷 ， 由于產(chǎn)品 進貨渠道狹窄，產(chǎn)品價格昂貴。 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)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。 目前，我軍所使用的 FPGA 器件 主要 依賴于從美國的 Xilinx、 Altera 和 Actel這三家公司進口，這種現(xiàn)象已經(jīng)引起我軍科研管理單位的高度重視。因此，現(xiàn)場可編程門陣列將是繼 AD/DA、 CPU 和 DSP 等之后的下一個研究熱點。 綜上所述，一方面是要解決我軍軍用裝備研制單位對軍用級 FPGA 產(chǎn)品的迫切需求，解決 FPGA 器件 完全依賴進口的被動局面；另一方面是 FPGA 器件對我軍用裝備的巨大技術(shù)推動作用和為我軍軍用裝備跨越式發(fā)展提供