【文章內容簡介】 ................................131 定制版圖設計 ...............................................132 SRAM 電源系統(tǒng)設計 ...........................................133 設計要求 ...................................................133 設計原理 ...................................................133 電壓比較器單元設計 .........................................134 SRAMVDD 電壓控制單元設計 .................................135 整體電路仿真 ...............................................139 內部配置時鐘發(fā)生電路單元......................................141 設計要求 ...................................................141 設計原理 ...................................................143 振蕩器單元設計 .............................................145 整體電路設計與仿真 .........................................147 定制版圖設計 ...............................................152 FPGA 內部模擬電路單元綜述 ....................................152第五章 FPGA 系列產品的模擬電路設計與驗證 .........................154 FPGA 系列產品設計方法 .........................................154 FPGA 系列產品的模擬電路異同點 .................................155 相同點 .....................................................155 不同點 .....................................................156 FPGA 系列產品的模擬電路設計與實現(xiàn) ............................156第六章 FPGA 可編程 I/O 接口電路測試方法研究 .......................158 I/O 接口電路測試方法研究 .......................................158 I/O 接口電路測試方案 ...........................................159第七章 結 論 ......................................................162致 謝 ..............................................................164參考文獻 ...........................................................165攻碩期間取得的研究成果 .............................................167第一章 緒論 課題的背景和意義FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、GAL、EPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路，該產品既解決了定制電路的不足，又克服了原有類型的可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。由于 FPGA 產品具有上市時間短、設計成本低、便于升級與重復使用的特點，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、民用領域 [1]。FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念，內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產品而言，模擬電路的設計是至關重要的。但是，由于中國集成電路產業(yè)受到產業(yè)高速增長與核心技術長期受制國外技術壁壘的雙重影響，出現(xiàn)了產業(yè)規(guī)模盲目擴大與產品效益低下并存，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，中國的整機制造產業(yè)(包括計算機、通信設備制造和視聽產業(yè))仍具有較強的國際競爭力，而本土的元器件研發(fā)產業(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，中國電子產業(yè)的基礎研發(fā)能力大而不強?；谝陨显?，國內在可編程邏輯器件領域尚處于起步階段，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 芯片設計，尤其是商業(yè)化FPGA 芯片中模擬電路的設計與研究尚未有成功先例。因此，掌握了 FPGA 模擬電路設計技術，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濟各領域發(fā)揮良好的經濟效益和社會效益。 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，它具有體系結構和邏輯單元靈活、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，它們具有設計開發(fā)周期短、設計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產品無需測試、質量穩(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 被廣泛應用于產品的原型設計和產品生產之中，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?？删幊虄炔炕ミB包括各種長度的線段和編程連接開關，它們將各個可編程邏輯塊或 I/O 塊連接起來，構成特定功能的電路。不同廠家生產的FPGA 在可編程邏輯塊的規(guī)模，內部互連線的結構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、遠程在線重構等技術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計方法所進行的設計優(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，而且還被大量地應用到網絡、消費電子、科研、航天及國防的許多最終產品中，成為一系列電子系統(tǒng)的核心。 SRAM 編程技術介紹通過對熔絲、EPROM、EEPROM、 SRAM，反熔絲和 Flash 等可編程技術的研究，總結可編程邏輯器件可編程技術的特性，見表 11。表 11 可編程開關技術比較編程技術 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 編程技術最先使用是在 Xilinx 公司的 FPGA 產品中，現(xiàn)在已經廣泛使用在其他公司的 FPGA 產品中。基于該種編程技術的 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成的 [2]。圖 11 5 管 SRAM 配置單元SRAM 技術的優(yōu)點是采用標準 CMOS 工藝，可重復設計和在系統(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 內部各個配置點配置信息的存儲單元，并且結合 SRAM 在系統(tǒng)可重配置的特性，利用模擬電路的設計方法，實現(xiàn)兼容多種接口標準的在線可重配置 I/O 接口電路的設計。 FPGA 和 ASIC 的對比目前在電子行業(yè)使用比較多的產品主要有 ASIC 和 FPGA，在這兩者之間F