【正文】 .........................126 整體電路仿真 ...............................................131 定制版圖設(shè)計 ...............................................132 SRAM 電源系統(tǒng)設(shè)計 ...........................................133 設(shè)計要求 ...................................................133 設(shè)計原理 ...................................................133 電壓比較器單元設(shè)計 .........................................134 SRAMVDD 電壓控制單元設(shè)計 .................................135 整體電路仿真 ...............................................139 內(nèi)部配置時鐘發(fā)生電路單元......................................141 設(shè)計要求 ...................................................141 設(shè)計原理 ...................................................143 振蕩器單元設(shè)計 .............................................145 整體電路設(shè)計與仿真 .........................................147 定制版圖設(shè)計 ...............................................152 FPGA 內(nèi)部模擬電路單元綜述 ....................................152第五章 FPGA 系列產(chǎn)品的模擬電路設(shè)計與驗證 .........................154 FPGA 系列產(chǎn)品設(shè)計方法 .........................................154 FPGA 系列產(chǎn)品的模擬電路異同點 .................................155 相同點 .....................................................155 不同點 .....................................................156 FPGA 系列產(chǎn)品的模擬電路設(shè)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(jié) 論 ......................................................162致 謝 ..............................................................164參考文獻(xiàn) ...........................................................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(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。該系列產(chǎn)品的研制成功打破了國外對該系列器件的禁運(yùn)，為我軍關(guān)鍵電子元器件的國產(chǎn)化貢獻(xiàn)了力量。本文所設(shè)計的多標(biāo)準(zhǔn)高性能接口電路已應(yīng)用在采用陶瓷封裝形式的 FPGA 中，該產(chǎn)品解決了國外同類型產(chǎn)品沒有軍品級器件的問題，滿足重點軍事工程的需求。本文的主要創(chuàng)新點為利用 SRAM 技術(shù)的在系統(tǒng)可編程特性，結(jié)合模擬電路設(shè)計方法的特點，提供了一種能夠同時滿足多標(biāo)準(zhǔn)接口應(yīng)用與可動態(tài)配置要求的I/O 接口電路結(jié)構(gòu)。本文中的電路采用 TSMC 1P5M 標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝制程，使用全定制電路與版圖設(shè)計方法。本論文采用正向和逆向相結(jié)合的設(shè)計方法，以正向設(shè)計思想為指導(dǎo)方向，同時借鑒國外先進(jìn)的設(shè)計經(jīng)驗，以研制支持多達(dá) 16 種高性能接口標(biāo)準(zhǔn)的可動態(tài)配置 I/O 端口，最高工作頻率為 200MHz，可用邏輯資源為 10 萬門，內(nèi)部包含總量達(dá) 40K 的用戶可用 RAM 陣列，消耗晶體管個數(shù)為 530 萬的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 芯片為突破口，完成了可用 I/O 管腳資源為 180、404 和 512 的系列 FPGA產(chǎn)品模擬電路的設(shè)計。課題的目的是研究工作電壓為 V 的FPGA 芯片中模擬電路的設(shè)計方法，其研究范圍主要包括 I/O 接口電路和 FPGA芯片的電源模塊。因此，越來越多的電路設(shè)計公司開始逐漸使用 FPGA 作為產(chǎn)品研發(fā)與測試的硬件平臺。隨著工藝尺寸的逐漸減小，現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA 與專用集成電路 ASIC 之間的性能差異正在逐漸減小。UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA碩士學(xué)位論文MASTER DISSERTATION論 文 題 目： 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 模擬電路設(shè)計研究 摘 要FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，是在 PAL、GAL、EPLD 等可編程器件基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。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。相比較 ASIC 而言，由于 FPGA 的動態(tài)可重配置特性極大降低了電路設(shè)計公司在產(chǎn)品設(shè)計過程中的設(shè)計風(fēng)險與設(shè)計成本，縮短了產(chǎn)品上市的時間，減少了用戶升級系統(tǒng)所帶來的硬件花費(fèi)。本課題來源為總裝備部國防技術(shù)重點預(yù)研項目和國家 863 研究發(fā)展計劃中“可編程邏輯器件”課題的子項目。本課題打破了 FPGA 核心關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)和產(chǎn)品制造被國外公司所壟斷的不利局面，滿足了國防和工業(yè)生產(chǎn)的需要。其中 I/O 管腳資源為 180 的 FPGA 產(chǎn)品具有小于 的輸入延時和小于 的輸出延遲，并能夠滿足 FPGA 芯片 200MHz 的最高工作頻率。經(jīng)仿真驗證，該系列 FPGA 產(chǎn)品所達(dá)到的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品水平。該結(jié)構(gòu)相比過去的各種 I/O 接口電路結(jié)構(gòu)而言，不但節(jié)約了芯片面積，而且能夠支持多種不同的接口標(biāo)準(zhǔn)。本文所設(shè)計的電路已完成后端版圖設(shè)計與仿真驗證，目前處于流片階段，其他系列產(chǎn)品的設(shè)計均按型譜項目的進(jìn)度要求正在進(jìn)行中。關(guān)鍵詞：FPGA 可動態(tài)配置 I/O 多標(biāo)準(zhǔn) 5V 容許 WeakKeeper ABSTRACTFPGA was the abbreviation of the Field Programmable Gate Array .It was base on the programmable divices ,such as PAL and offset the ASIC39。作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，該產(chǎn)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。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。因此對于投入實際應(yīng)用的 FPGA產(chǎn)品而言，模擬電路的設(shè)計是至關(guān)重要的。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。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(qiáng)。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。 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。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 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)。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。可編程內(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。目前，在市場上比較常用的是 Xilinx 和 Altera 公司的 FPGA 器件。FPGA 的發(fā)展推動了先進(jìn)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(jìn)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。 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?；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 11 5 管 SRAM 配置單元SRAM 技術(shù)的優(yōu)點是采用標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝，可重復(fù)設(shè)計和在系統(tǒng)可重配置。所以在使用 SRAM 型FPGA 時需要外掛存