【文章內(nèi)容簡介】 對于投入實際應(yīng)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?；谝陨显?，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，F(xiàn)PGA 被廣泛應(yīng)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(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。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。可編程邏輯功能塊是實現(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(yīng)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，F(xiàn)PGA 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(yīng)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 BipolarEPROM 電路外 否 UVCMOSEEPROM 在電路 否 EECMOSSRAM 在電路 是 CMOS反熔絲 否 否 CMOS+Flash 在電路 否 FlashSRAM 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(yīng)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(yīng)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(yīng)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，F(xiàn)PGA 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?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA 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，F(xiàn)PGA 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，F(xiàn)PGA 恢復成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA 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，F(xiàn)PGA 的使用非常靈活?？梢哉f，F(xiàn)PGA 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，F(xiàn)PGA 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。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)展提供了良好的契機。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。通過本課題的研究，掌握可編程邏輯器件中模擬電路的核心設(shè)計技術(shù)，除可滿足武器裝備國產(chǎn)化需求外，同時也可以探索可編程邏輯器件中模擬電路設(shè)計的第一章 緒 論7一套行之有效的方法，攻破可編程邏輯器件設(shè)計的壁壘，為自主設(shè)計高性能、高密度的 FPGA 奠定堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。 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)計技術(shù)和加工工藝成熟，產(chǎn)品門類齊全，可以提供上百個系列品種，芯片集成度已達到上百萬門，并廣泛應(yīng)用于通信、航天、航空、導航、遙感、遙測、程控交換機等軍、民用領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外可編程邏輯器件被美國幾家著名大公司所壟斷。其技術(shù)經(jīng)過近二十年的經(jīng)驗積累，技術(shù)力量十分雄厚。器件尺寸達到 65nm，規(guī)模達到千萬門級。各公司在宇航和軍用電子元器件的發(fā)展十分迅速。世界排名前四的可編程器件供應(yīng)商分別為Xilinx、Altera、Actel、Lattice，這幾家可編程設(shè)計公司是全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供應(yīng)商。下面針對國外各大可編程器件廠商的產(chǎn)品進行介紹 [5]。(1)Xilinx 公司：圖 13 Xilinx 公司 FPGA 產(chǎn)品譜圖Xilinx 公司成立于 1984 年，Xilinx 首創(chuàng)了現(xiàn)場可編程邏輯陣列