（微电子学与固体电子学专业论文）一款基于sram的fpga器件设计.pdf

摘要 摘要 题目：一款基于s r a m 的f p g a 器件设计 研究生：侯卫华 导师：于宗光教授 专业：徽电子学与固体电子学 f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ) 是一种可通过用户编程来实现各种数字电路 的集成电路器件。用f p g a 设计数字系统有设计灵活、低成本，低风险、面市时间短等 好处。本课题在结合国际上f p g a 器件方面的各种研究成果基础上，对f p g a 器件结构 进行了深入的探讨，重点对f p g a 的互连结构进行了分析与优化。f p g a 器件速度和面 积上相对于a s i c 电路的不足很大程度上是由可编程布线结构造成的，f p g a 一般用大 量的可编程传输管开关和通用互连线段实现门器件的连接，而全定制电路中仅用简单的 金属线实现，传输管开关带来很大的电阻和电容参数，因而速度要慢于后者。这也说明， 通过优化可编程连接方式和布线结构，可大大改善电路的性能。本文研究了基于s r a m 编程技术的f p g a 器件中逻辑模块、互连资源等对f p g a 性能和面积的影响。论文中在 介绍f p g a 器件的体系构架后，首先对开关矩阵进行了研究，结合w i l t o n 开关矩阵和 d i s j o i n t 开关矩阵的特点，得到一个连接更加灵活的开关矩阵，提高了f p g a 器件的可 布线性，接着本课题中又对通用互连线长度、通用互连线间的连接方式和布线通道的宽 度等进行了探讨，并针对本课题中的f p g a 器件，得出了一套适合于中小规模逻辑器件 的通用互连资源结构，仿真显示新的互连方案有较好的速度和面积性能，在互连资源的 面积和性能上达到一个很好的折中。 接下来课题中对f p g a 电路的可编程逻辑资源进行了研究，得到了一种逻辑规模适 中的租粒度逻辑块簇，该逻辑块簇采用类似x i l i n x 公司的f p g a 产品的l u t 加触发器 结构，使逻辑块簇内部基本逻辑单元的联系更加紧密，提高了逻辑资源的功能和利用率。 随后我们还研究了i o 模块数目的确定和分布式s r a m 结构中编程电路结构的设计，并 简单介绍了s r a m 单元的晶体管级设计原理。最后，在对f p g a 构架研究基础上，完 成了一款f p g a 电路的设计并设计了相应的电路测试方案，该课题结合c e t c 5 8 研究所 的一个重要项目进行，目前已成功通过c s m c 0 6 9 r a2 p 2 m 工艺成功流片，测试结果显 示其完全达到了预期的性能。 关键字：f p g a 、s r a m 、通用互连资源、开关矩阵、逻辑块簇 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：t h ed e s i g no f as r a mb a s e df p g ad e v i c e n a m e ：h o u w e i h u a t u t o r ：y uz o n g - g n a n gp m f e s s h m 面m i c r o c l c c t r o n i c sa n ds o l i d - s t s t ee l e c t r i c s f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ( f p g a s ) a r ei n t e g r a t e dc i r c u i t sw h i c hc a nb e p r o g r a m m e dt oi m p l e m e n ta n yd i g i t a lc i r c u i t t oi m p l e m e n td i g i t a ls y s t e m sw i t hf p g ah a v e t h ea d v a n t a g eo ff l e x i b l e , l o w - c o s t , l o w - r i s k , l o w - t u r n - a r o u n dt i m ea n ds oo n a tt h e b a c k g r o u n do f t h ep r e v i o u sw o r ko f f p g ad e v i c e si n t e r n a t i o n a l l y 1 1 1 i ss t u d yi sb e g a no nt h e s t r u c t u r eo ft h ef p g aa n di tf o e u e do no p t i m i z i n gt h ei n t e r c o n n e c tr e s o u r c e so ff p g a b e c o m p a r e dw i t l lt h ea s i c m u c ho ft h ea r e aa n ds p e e dp e n a l t yt ot h ef p g ai sd u et ot h e p r o g r a m m a b l em u t i n gs t r u c t u r e s t i l i sh a p p e n sb e c a u s ei nf p g a , g a t e sa r ec o n n e c t e dw i t h p r o g r a m m a b l es w i t c h e sa n dm e t a lw i r e s , b u tf u l l f a b r i c a t i o nc h i p s 嘴s i m p l ew i r e st om a k e i n t e r c o n n e c t i o n sb e t w e e nl o g i cg a t e s t h e s es w i t c h e sh a v em u c hl a r g e rr e s i s t a n c ea n d c a p a c i t a n c ea n dh e n c ea r es l o w e rt h a nt h ew i r e si n 向l l - f a b r i c a t i o nc h i p s t k si n d i c a t e st h a t w ec a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eb yo p t i m i z i n gt h ep r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c tm e t h o da n d t h ei n t e r c o n n e c ts t r u c t u r e s i nt h i st h e s i s ，r 1 1 l ee f f e c to ft h el o g i cm o d u l e sa n di n t e r c o n n e c t r e s o u r c e so nt h es r a mb a s e df p g ad e v i c e si ss t u d i e d , f i r s tt h eb a s i cs y s t e ma r c h i t e c t u r e w a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a n df o l l o w i n gw es t u d i e dt h es w i t c hm a u i xa n dg o tam o r e f l e x i b l es w i t c hm a t r i xa r c h i i e c t u r ew h i c hc o m b i n e dt h ec h a r a c t e ro f t h ew i l t o ns w i t c hm a t r i x a n dt h ed i s j o i n ts w i t c hm a t r i x , t h en e ws w i t c hm a t r i xh e l pt oi m p r o v et h er o u t a b l em t e n o t a b l y t h e nt h el e n g t ho ft h eg e n e r a lp r o g r a m m a b l ew i r e ，t h ep r o g r a m m i n gc o n n e c t t e c h n i q u e sa n dt h ew i d t ho f t h em u t i n gc h a n n e l sw e r ea l s or e s e a r c h e da n dt h eg e n e r a lm u t i n g a r c h i t e c t u r et h a ts u i t ef o rt h em o d e r a t eo rs m a l ls c a l ef p g a sw a sg o t , t h es i m u l a t i o ns h o w e d t h a tt h en e wr o u t i n ga r c h i t e c t u r eh a dag o o dp e r f o r m a n c eo ns p e e da n da l g aa n dg o tab e l t g r t r a d e 一0 f r b e 押，nt h e m t h e nt h ep r o g r a m m a b l el o g i cr e s o u r c e sw a ss t u d i e da n dam o d e r a t es c a l ec o a r s e g r a i n l o g i cc l u s t e r t h i sl o g i cc l u s t e rh a sax i l i n xp r o d u c t ss e m i a r i ds t r u c t u r eo f l u ta n df l i p - f l o p s c o m b i n a t i o n 。t h i ss t r u c t u r em a k e st h eb a s i cl o g i cc e l l s c o n n e c t i o ni nt h el o g i cc l u s t e r m o r ec l o s e l ya n di m p r o v e st h el o g i cc l u s t e r sf u n c t i o n t h e nt h en u m b e ro ft h e1 0m o d u l e s a n dt h ep r o g r a m m i n gc i r c u i tt ot h ed i s t r i b u t i o n s t y l es r a mr e s o u r c e sw e r es t u d i e d , a n dt h e t r a n s i s t o rl e v e id e s i g no ft h es r a mc c l lw a sa l s oi n t r o d u c e d f i n a l l y ，af p g ad e v i c ew a s d e s i g n e do nt h eb a s i so fo u rs t u d yw o r ka n dt h et e s ts c h e m ew a sa l s od e s i g n e d ，a sak e y p r o j e c to fc e t c 5 8i n s t i t u t e n o wt h i sc h i ph a s b e e nf a b r i c a t e du n d e rt h ec s m c o 6 1 m a2 p 2 m p r o c e s s 1 n h et e s tr e s u l t ss h o wt h a ti ta c h i e v e st h ea n t i c i p a t e dp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：f p g a ；s r a m ；g e n e r a li n t e r c o n n e c tr e s o u r c e s ；s w i t c hm a t r i x ；l o g i cc l u s t e r i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：如7 年弓月j 7 日 关于论文使用授权的说明 ，本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师虢盈宣些 日期：砂 年月哆日 ij 第1 章绪论 第1 章绪论 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 器件在当今电子系统设计 中起着十分重要的作用，可以用在任何数字系统中。本章我们首先介绍了f p g a 的特点 以及用f p g a 开发数字系统的优势，接着简要介绍了p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 可编程逻辑器件的发展历程，并总结了目前国际国内f p g a 的发展状态、大致发展趋势 以及f p g a 产品开发中的关键技术。 1 1f p g a 的研究意义及现状 1 1 1f p g a 的特点 基于f p g a 的设计方法有其交货时间短、无n r e 费用、高集成密度、可实现较大 功能甚至系统电路等独特的优势，因此f p g a 器件有着广阔的前景。f p g a 的结构资源 满足了高性能数字处理对存储器、数据通路、和处理器的基本需求，电子设计领域对对 高可靠性、高水平f p g a 的需量逐年增加，高性能f p g a 电路的设计一向是i c 领域研 究关注的热点i l j 。 f p g a 与a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t 专用集成电路) 、m p g a ( m a s k p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 掩模可编程门阵列) 相比具有特定的优势。相对于m p g a ， f p g a 有高的灵活性，例如基于s r a m 的f p g a 具有无限次可编程的特点，而m p g a 不能重复编程；相对于a s i c 电路，f p g a 除了灵活性外更具有低风险、无n r e ( n o n r e c u r r e n te x p e n s e ) 成本等优势。然而，f p g a 这种灵活性是有代价的，用f p g a 实现 的电路耗用逻辑资源多，速度较慢、功耗也较高等。表1 1 对a s i c 、m p g a 、f p g a 三种数字设计方法进行了比较： 表1 1a s i c ，m p g a 、f p g a 性能比较 工艺设计风险n r e 成本相对速度相对功耗设计灵活性 a s l c高 高高低不可修改 ( 执 较高低较高较高 不可修改 f p g a低无低高可重复修改 a s i c 电路设计风险受产品性能、市场变化、技术发展等因素影响，其产品的市场 定位、设计规划、研发投入是一个漫长( 几个月甚至几年时间) 过程，需要较大的研 发投入，而市场竞争及迁移、技术更新导致短的生命周期都给a s i c 开发带来很高的 风险。而f p g a 的设计可修改性恰恰避免了这个风险，而基于m p g a 的设计风险与 江南大学硕士学位论文 f p g a 相比要大得多；因为m p g a 设计的缺陷需要修改最终的掩模，代价很大，还要 花费几个星期( 6 8 周) 的重新设计时间。图1 1 和图1 2 分别给出了近年来f p g a 和 a s i c 电路开发成本的走势。 -_ i _ i ，j j 广。r，f【1 图1 1 单片f l e a 生产成本降低 图1 2a s i c 开发费用快速增长 a s i c 的n r e 费用包括工作成本和掩模费用以及设计工具、测试验证、原型样品 等，长的产品开发周期和工艺进步带来的制版费用大幅度的提高使得a s i c 电路的n r e 费用非常高，一次设计失败，供应商将承受巨大的损失。m p g a 相比而言设计周期较 短，掩模版费用较低且有较大的用户群来分担处理过程中的n r e 费用。随着半导体制 造技术的不断发展，硅器件单位面积的制造成本迅速降低，f p g a 的单片价格不断下 降。f p g a 开发过程中，只需改进编程数据对f p g a 器件进行配置，几乎没有n r e 费 用 2 - 5 1 。 a s i c 总是可以运用最合理的设计技术和制造工艺来实现特定的电路，因此其面积、 速度等因素较合理甚至最优，制造商总是设法用最小的面积实现最高的速度或最小的功 耗。而前面提到，f p g a 需要大量的存储单元和可编程开关来实现其可编程灵活性，速 度和功耗、面积效率都很受影响，m p g a 与之相比也因为无附加电路及可编程连接原 件造成的延时，因而速度较高，集成度也较高。 1 1 2 可编程逻辑器件的发展历程 可编程逻辑器件是经历了一个很长的发展过程才到达今天f p g a 这样复杂的程度 的，本节我们简单介绍一下可编程逻辑器件的发展历程。 可编程逻辑器件的发展大约经历了p r o m 、p l a 、p a l 、c p l d 和f p g a 等阶段l i 3 1 。早在r o m 问世时期，人们就利用r o m 存储一定的逻辑或其它函数值，通过地址查 表方式实现特定的逻辑功能，然而，用r o m 存储代码是一个相当昂贵、耗时的过程， 因为r o m 供应商要为每一个用户提供唯一的一套掩膜版，从定货到交货周期也相当长。 上世纪的7 0 年代出现了r o m 的替代产品p r o m ，它允许用户用一个桌面编程器进行 功能配置，且与r o m 一样断电后数据不会丢失，在逻辑编程领域替代了r o m ，后来 陆续出现了e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 存储器等改进器件，这里我们统称为p r o m 。 2 第1 章绪论 p r o m 主要是作为数据存储出现的，其只能适合有限输入、输出端子的组合逻辑，而且 速度非常慢，当今的p r o m 存储时间最少也在4 0 n s 左右。这一时期真正的可编程器件 是可编程逻辑阵列( p l a ) 器件，通过具有宽输入的“与”阵列和输出“或”阵列组成， 解决p r o m 输入输出数量的不足，而且工作速度也快的多，但是仍只能实现组合逻辑 功能。 7 0 年代末，a m d 公司推出了可编程阵列逻辑( p a l ) 器件，相比p l a ，p a l 不仅 采用了更有效的“与”、“或”阵列，而且器件集成了触发器，速度也高出许多，使得 p a l 不仅可以设计组合逻辑电路，还可以实现高速的状态机控制器。紧接着，l a t t i c e 公司推出电可擦除，比p a l 更灵活，功能更强的通用阵列逻辑器件( g a l ) 。这些器件 出现导致了硬件描述语言h d l 的诞生，为后来的v h d l 、v e r i l o gh d l 奠定了基础。8 0 年代中后器，l a t t i c e 等公司推出了在系统可编程器件i s p ，同时出现了一系列的复杂可 编程逻辑器件c p l d 。1 9 8 5 年，x i l i n x 公司推出第一代f p g ax c 2 0 0 0 系列f p g a ，宣 告可编程逻辑器件进入了f p g a 时代。 1 1 3f p g a 的现状及发展趋势 自1 9 8 5 年问世以来，f p g a 器件越来越成为人们实现许多数字电路和系统的首选 方案。随着集成电路技术的发展，例如：特征尺寸不断缩小，单片i c 上集成的晶体管 达到上十亿个；单端口或双端口存储器件的成熟；面向时钟管理的数字锁相环；高速i o 接口；片上d s p 资源及嵌入微处理器等，所有这些都使得f p g a 不再局限于部分电路 实现，而越来越适合于实现更强大甚至片上系统的功能。近年来，f p g a 在越来越多的 领域如计算机和数据处理系统、通信设备、雷达、声纳、医疗电子设备、测试仪器等逐 步取代a s i c 和通用器件d s p 、m c u 等i ”。 x i l i n x 是f p g a 器件的发明者，也是当今国际f p g a 业界的领跑者，这里我们主 要以x i l i n x 公司产品为主。说明一些f p g a 的发展现状及趋势。当今的f p g a 产品主 要有以下一些特点 i , 6 - 1 1 】： ( 1 ) 更高集成度、更高的速度、更低的功耗： f p g a 电路的集成度也已经成为微电子发展水平的直接体现，微电子制造工艺的每 一次改进都首先体现在f p g a 器件上。目前的f p g a 工艺正由9 0 n m 向6 5 n m 转移，2 0 0 6 年，x i l i n x 推出其基于6 5 n m 工艺的新型f p g a 器件v i r t e x 5 家族的两个系列：l x 和 l x t ，分别对高性能逻辑和带有串行i o 的高性能逻辑进行了优化睁】。与上一代产品( 基 于9 0 n m 工艺的v i r t e x - 4 ) 相比，采用更低的1 v 工作电压，速度提高3 0 、动态功耗降 低3 5 、面积缩小4 5 。并首次采用新型对角线布线技术，实现了高速可预测布线， 系统时钟高达5 5 0 m h z 。 ( 2 ) 更加丰富的片上资源、面向应用领域优化的系统f p g a 平台： 3 江南大学硕士学位论文 国际主要f p g a 厂家在系统级f p g a 的技术发展上，主要强调了两个方面：f p g a 的 要体现在两个方面：高集成度带来的丰富的可编程逻辑资源和布线资源，f p g a 中 集成的d s p 、微处理器、高速i o 、r a m 模块等嵌入i p 单元。现在的f p g a 器件可提供高 达数百万甚至近千万的可编程逻辑门数，集成大量的乘法单元等专用d s p 模块等。例如， x i l i n x 公司在2 0 0 4 年推出的v i r t e x - 4 系列包括3 个系列：l x 、s x 和f x ，l x 平台主要针 对通用逻辑应用，提供了最高的逻辑密度和高性能i o ；s x 平台主要针对高性能信号处 理应用，针对高性能实时信号处理提供更多的x t r e m ed s p 逻辑模块与嵌入式块r a m 资 源；f x 平台主要用于复杂系统应用如网络、电信等领域，其特点是嵌入了p o w c r p c4 0 5 微处理器模块和支持6 0 0 m b p s 至1 1 1 g b p s 任何速率的千兆位串行收发器模块嗍。其它如 a l t e r a 公司的s t r a t i xi i 系列集成了片上a r mr i s ci p 核，更适合于片上系统领域的应用 i h 。 ( 3 ) 更低的价格、成本： 市场竞争等因素使得f p g a 厂商在不断提高f p g a 性能的同时努力控制其成本和价 格，x i l i n x 在新推出的v m e x - 5 时利用e a s y p a t h 免转换、成本削减的批量生产方法， 使器件的生产成本降低3 0 7 5 ，并且没有转换风险和隐性成本。中低端批量应用种 如x i l i n x 推出的s p a r t a n 系列、a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列，都在保证性能同时极具价 格优势，成本上也可以和a s i c 相竞争。 国内对f p g a 器件的研究起步较晚，开始于二十世纪九十年代初，但是近几年才引 起重视，但仍没有成功的商业产品问世。目前国内仅有以复旦大学等为代表的少数几家 高校和科研单位开展这方面的研究工作。基于这个形式及国内市场需求，中国电子科技 集团第5 8 研究所近年来对f p g a 进行了立项研究，本课题正是作为该项目的一部分。 深入研究了f p g a 相关设计技术，并进行实际的f p g a 器件设计，对于国内f p g a 产 业发展有着重要的作用。 ， 1 2f p g a 的分类 1 2 1 按编程技术分 目前市场上的f p g a 产品编程技术主要有基于s r a m 技术、基于反熔丝技术以及 近年来出现的基于f l a s he p r o m 技术等几个系列。其中以基于s r a m 技术的f p g a 产 品最多。表1 2 给出了三种编程技术特点。 基于s r a m 编程技术的f p g a 器件中嵌入大量分布式或块状的s r a m 单元，对 f p g a 编程时，配置信息通过配置引脚存储于这些s r a m 中，实现特定的功能，s r a m 单元的作用主要有两点：( 1 ) 将一组s r a m 单元组合起来作为一个u j t ，实现任意组合 逻辑功能；( 2 ) 用某个s r a m 单元的存储信息控制传输管开关或多路器实现电路元器件 4 第1 章绪论 连接与否。其最大的优点是可无限次重复编程和在系统可编程性( 即在整个电子系统工 作过程中对f p g a 进行配置) ，此外，这种f p g a 完全由c m o s 工艺实现，工艺简单成 本较低。而s r a m 的缺点是系统掉电时数据无法保存，需要外置r o m p r o m 等存储 单元。 表1 2 三种f p g a 编程技术特点 主要特性翻洲反熔丝 f l a s he p r o m 易失性是否 否 在系统编程性最好否较好 相对速度较慢快最慢 功耗高低 中 面积 5 xi x0 8 x 安全性否是否 制造工艺c h 螂改进c m o sf l a s h 编程次数无限次 一次 有限次 由于可以从s r a m 单元中读出数据，因而使系统缺乏安全性又因为s r a m 单元的固有 特点( 双反相器首位相连的反馈保持结构) ，在某些特殊应用，如军事项目中s r a m 配 置信息可能因为辐射或瞬时脉冲干扰等环境变化而受到影响，使配置信息出现错误。 反熔丝技术的原理是：在一个由绝缘体分开的两个导体间跨接一个小的链接环，如 图1 3 所示，当在这个链接环的两端施加一个大的电压时，链接环熔化，导体1 流入原 来链接环位置，实现两个导体的连接。当今的制造工艺中主要有两种类型的反熔丝技术， 第一种是多晶n + 扩散型反熔丝技术，即图1 3 中的导体1 为多晶硅，导体2 为神散 区，绝缘体为o n o ( o x i d e - n i t r i d e - o x i d e 氧化物氮化物氧化物，通常为s i 0 2 s i 3 n 4 s i 0 2 ) , 链接环由单晶硅实现。第二种金属金属反熔丝技术，即图中的导体l 和导体2 皆为金 属，绝缘体为无定形硅，链接环为钛、钨等的硅化物。 导体l链接环 导体2 图1 3f l e a 反熔丝结构简图 基于f l a s h 技术的f p g a 是随着近年来f l a s he p r o m 技术的发展而出现的新型 5 江南大学硕士学位论文 f p g a 器件，a c t e i 公司的p r o a s i cp l u s 器件等使用了f l a s h 编程技术。与基于s r a m 的器件类似，不过它们是用f l a s he p r o m 单元编程，其特点是兼具非易失性和可重复 编程性，不过，相对于s r a m ，基于f l a s ht 艺的f p g a 编程和读取速度慢，功耗较大， 工艺代价也较大，且仅能进行有限次数( 早期的几百次到现在的上万次) 的编程。 1 2 2 按逻辑资源粒度大小分 还有一种对f p g a 电路的分类技术是按可编程逻辑模块的规模将f p g a 分为细粒度 和粗粒度两类，f p g a 早期人们采用的细粒度可编程逻辑模块大小相当于a s i c 门阵列 中的单元，其逻辑模块较小的单元如“与非门”、“或非门组成，通过互连资源将这些小 的逻辑单元连接实现不同功能。理论上细粒度这类f p g a 器件资源利用率比较高，而且 由于其结构类似与门阵列的a s i c 电路，因而与a s i c 电路间的转换更容易。然而，细 粒度的逻辑模块中由于需要大量的互连线，路径问题成为制约速度和资源利用率的瓶 颈，随着芯片集成度提高，细粒度结构已无法承受集成度带来的布线资源的要求，这类 f p g a 已逐渐被淘汰例。显然，按粒度大小分类是一个相对的分类方法，现在人们所说 的粗粒度指f p g a 电路中的逻辑模块结合了组合逻辑电路和多个触发器，或者说由一些 基本逻辑单元构成的逻辑块簇，可实现较大的功能【1 2 d 5 】；而细粒度单元则指规模较小的 组合逻辑和单个触发器构成的逻辑模块。随着f p g a 器件规模的扩大，f p g a 器件提供 的逻辑模块规模也越来越大。详细的逻辑模块的讨论将在第二章介绍。 1 3 本文重点及结构安排 本文首先总体介绍了f p g a 体系结构，重点研究了中低逻辑密度的f p o a 器件的可 编程资源特别是可编程互连资源的设计，在此基础上，我们设计了一块可编程门数大于 6 k 的f p g a 器件并设计相应的测试方案，该器件通过c s m c0 6 微米2 p 2 m 工艺进行 流片，对样片的测试结果显示其完全达到预期研究目标。 本文内容安排如下：第2 章介绍了f p g a 的体系结构以及用f p g a 电路进行数字设 计的c a d 流程；接下来在第3 章中重点介绍了我们对f p g a 片上通用互连资源的结构 研究，得出一套适合于中小规模f p g a 器件的通用互连结构；第4 章介绍了f p g a 的逻 辑资源、编程电路和s r a m 单元的设计等，并给出我们设计的f p g a 芯片的最终版图 概貌；最后，第5 章我们介绍了本f p g a 器件的测试策略，设计了一套故障覆盖率高、 测试时间少的测试方案。 6 第2 章f p g a 的体系结构 第2 章f p g a 的体系结构 一般来说，影响f p g a 总体性能主要有3 个主要因素：( 1 ) f p g a 的体系结构；( 3 ) c a dt 具的性能：( 2 ) f p g a 器件晶体管级元件的电器性能等。本章我们概括地介绍 f p g a 器件的硬件构架和c a d 开发流程。首先讨论了f p g a 的基本体系结构，重点介 绍了f p g a 中的各用户可编程模块的结构与功能，然后简述了用f p g a 进行数字电路设 计的c a d 流程和设计f p g a 系统的关键技术。 2 1f p g a 体系结构 每一个f p g a 生产厂商都有其自己的f p g a 体系结构，但是这些不同的结构都有类 似的基本模块。基于s r a m 技术的典型f p g a 基本结构如图2 1 。由图，f p g a 的体系 结构包括控制部分、s r a m 存储资源和用户可编程资源3 部分。控制部分包括对可编程 资源进行操作的编程电路部分和相应的编程控制部分、复位电路、时钟控制电路等。这 部分提供了用户( 通过相应的c a d 工具) 对可编程资源配置的接口；配置信息存储于 片上大量的s r a m 单元中，这些s r a m 单元以阵列形式分布于整个f p g a 芯片，实现 对所有片上可编程资源的控制；用户可编程资源包括c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ： 可配置逻辑块) 、i o b ( i ob l o c k ：i o 模块) 和p i ( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t ：可编程 互连资源) 等部分，是实现具体功能的主要资源。f p g a 芯片将由以上3 部分占用的总 资源成为f p g a 的系统门数，将可编程资源的占用的逻辑门数称为用户可编程门数，通 常，f p g a 器件中的系统门数远远大于用户可编程门数，这也反映了f p g a 器件的面积 效率较a s i c 电路要差的多。本章我们主要介绍f p g a 的用户可编程逻辑资源结构。 控 o 二一编 制 ic l bi 可 部回罂 分 圃罴 图2 1f p g a 的体系结构 严格地说，一套完备的f p g a 系统还应包括与之相配套的c a d 开发软件，c a d 软 件系统中的各模块所采用的算法强烈依赖于其芯片的结构，因此不同的f p g a 器件供应 商都提供了针对各自f p g a 产品的软件开发系统，这些c a d 工具也随着f p g a 产品的 发展不断更新换代。例如，x i l i n x 公司的开发工具经历了f o u n d a t i o n 工具到现在强大的 i s e 8 2 版本集成开发环境，各版本分别支持不同时期的f p g a 器件的设计。 7 江南大学硕士学位论文 2 2f p g a 的可编程资源 图2 2 中给出一个被称为“岛屿”式布局的f p g a 内部结构，大量的可编程布线资 源围绕着阵列结构的可编程逻辑模块。整个f p g a 可编程资源包括如下几个部分：( 1 ) 实 现组合和时序逻辑功能的可配置逻辑模块；( 2 ) 建立信号连接的可编程互连资源( 包括通 用互连资源和可编程长线等) ；( 3 ) 提供f p g a 与外部器件接i s 的可编程f o 模块。大量 的s r a m 存储单元分布于整个f p g a 芯片。 2 2 1 可配置逻辑模块 图2 2 “岛”式布局的f p g a 可编程资源 可编程逻辑模块多采用粗粒度的形式，有基于查找表l u t 和基于多路选择器m u t 两大类。常见的逻辑模块为由不同数目的l u t 或m u x 加触发器组合构成的逻辑块簇 结构。下面我们分别讨论两类租粒度逻辑模块： ( 1 ) 基于l u t 的逻辑模块： 目前大多数的f p g a 产品采用基于l u t 的逻辑模块，x i l l n x 公司研制的第一块 f p g a 电路即采用基于u j t 技术。l u t 的原理是由一组s r a m 单元来存储逻辑函数值， 由函数输入端对这些s r a m 存储单元按位寻址以实现相应逻辑功能，是一种泛函的组 合逻辑解决方法。图2 3 给出了一个2 输入l u t 的原理图。可见，一个n 输入的l u t 由2 “个s r a m 单元组成，改变s r a m 单元中的配置，即可实现所有n 变量逻辑函数。 8 第2 章f p g a 的体系结构 由于l u t 具有结构规则、工艺影射方便( 只要考虑满足输入输出端的要求即可) 的特 点，因而非常适合用于可编程逻辑器件的逻辑发生器。目前大多数的f p g a 产品采用4 输入l u t 。x i l i n x 公司在其最新一代的v i r t e x 一5 系列f p g a 中首次采用了6 独立输入 的l u t ，减少逻辑级数，速度更高i ”。 一个基于l u t 的基本逻辑模块一般由l u t 加上一个或几个触发器构成，如图2 4 所示。本文我们主要讨论采用基于l u t 的逻辑块的f p g a ，我们设计的基于s r a m 的 f p g a 器件也采用了基于l u t 的逻辑模块。 瓴i ) i l 碲瓣l 鲰哪l 图2 32 输入l u t 原理图图2 ，4 基于l l r r 的逻辑基本逻辑单元 ( 2 ) 基于m u x 的逻辑模块 a c t e l 公司的多数f p g a 产品采用了基于m u x 的逻辑单元，如图2 5 所示。与l u t 相比，这类逻辑单元除了在结构上不同外，在实现逻辑方式上也不同，它本身不可编程， 是一种固定逻辑模块，其逻辑的实现是通过输入端和连线资源的不同连接来实现的，如 图2 5 ( b ) 为实现一个特定组合逻辑功能的情况。这种结构的逻辑块输入端较多，消耗 更多的连线开关，连线开 关采用反熔丝结构。但由 于反熔丝结构的连线开 关占用面积比s r a m 小 很多，且电气性能好，因 此这类结构能取得更高 的逻辑密度和更高的速 度。这类器件由于反熔丝 技术的特点，多用于要求 可靠性高的场合，如航空 航天，军事领域等。 ( a ) ( b ) 图2 5 基于删x 的逻辑单元结构 目前的粗粒度逻辑模块一般为组合了两个或多个基本逻辑单元形成的逻辑块簇 ( l o g i cc l u s t e r ) ，块簇内的基本逻辑单元b l e 通过局部连线实现高速互连，增加逻辑 9 江南大学硕士学位论文 密度的同时减小了互连延时。例如采用含有8 个基本逻辑单元逻辑块簇的f p g a 比仅用 单个基本逻辑单元的f p g a 结构要减小2 3 的延时和1 4 的面积1 2 】。同时，采用逻辑 块簇的f p g a 可以显著地减小设计编译时间，而设计编译时间正随着f p g a 的逻辑规模 的增大越来越引起人们的关注。图2 6 为一个含有n 个基本逻辑模块的逻辑块簇模型图， 其输入端口数为i ，输出端口数为n ，本文的逻辑块簇将都采用这个模型。 1 个输入 端口 2 2 2i o 模块 图2 6 逻辑块簇结构 可编程i o 模块提供了f p g a 内部信号与芯片外部器件的接口，包括电压转换、压 摆率控制等等。如今新型的f p g a 器件都提供高性能的i o 模块，如x i l i n xv i r t e x 系列 器件提供了高性能的s e l e c t i o 电路，可以轻松支持所有常见的接口标准和电气标准，能 与任何常见的外围元件进行接口桥接。这里我们以x i l i n x 公司x c 4 0 0 0 系列的i o 模块 为例简述f o 模块的功能。图2 7 为x c 4 0 0 0 系列i o 模块简图【1 6 1 ： 可编程i o 模块可提供多种不同电压标准问的转换，支持多种传输信号格式，可用 作输入、输出或双向端口。输入可设定为直接、锁存或寄存模式，输出可设定为直接或 寄存模式。输出缓冲带有畸变和翻转等控制。其中的延迟单元用以补偿时钟信号到达i o 模块前全局缓冲引入的延迟，从而消除了外部数据引脚处数据的保存条件。i o 模块三 态输出可将输出缓冲置于高阻态。输出缓冲的翻转速率可以控制，以将非临界信号跳变 时对电源总线的瞬时影响降到最小，i o 引脚可以编程为上拉或下拉，以避免不必要的 能耗和噪声。 1 0 第2 章f p ( ；a 的体系结构 2 2 3 互连资源 图2 7x c 4 0 0 0 系列的l o b f p g a 的互连资源包括可编程逻辑模块内部的互连和可编程逻辑模块间的互连，当 然，含有基本逻辑模块越多的逻辑块簇，逻辑模块内部互连将越复杂。图2 8 给出了 f p g a 内部逻辑块簇和其周围的互连资源构成的一个基本结构图( f p g a 正是通过多次 重复这种基本结构构成) 。 、 lf i 一 、奉 事辈卜 一 j 一、 i、 、 内部互连 矩阵 一i 封面司 i 。2 j 、 q*“。 “ 3 ，二 z j， ， 图2 8逻辑块簇和周围互连资源的基本结构 布 线 逼 谨 图2 8 中可编程逻辑模块内部通过内部连接矩阵实现基本逻辑单元的完全连接，即 任一个b l e 的可连接到任何一个b l e 的输入，块簇的每个输入端口可以连接大任一个 b l e 的输入。完全互连的优势在于由f p g a 实现的电路的物理连接变得非常简单( 具 江南大学硕士学位论文 体连接路径选择由c a d 工具决定) ，布线工具可以简单地将逻辑块簇的输入信号连接到 任何一个输入端口，增加了布线工具的灵活性，也减少了布线路径上通用互连线断的数 目。然而，同时也因为增加了更多的多路选择器而增大了芯片面积和延时，对于大的逻 辑块簇，这个面积和延时代价是相当大的。 逻辑模块间的互连通过图2 8 中所示的布线通道、开关矩阵和连接块实现，我们将 实现逻辑块间互连的这些连接资源称为通用互连资源，这是本课题研究的重点，将在第 三章详细论述。结合图2 2 和图2 8 可以看出，布线通道以网格状的结构围绕于逻辑块 簇四周，通道内具有特定数目的金属互连线，这些金属连线具有固定的长度。，开关矩 阵出现在每一段布线通道的两端，实现不同通道内首尾相邻的金属连线间的可编程连 接。连接块内的可编程连接开关由传输管开关、多路选择器或三态缓冲器实现，完成逻 辑块簇的内部与通用互连资源间的信号交换。由图可见，“岛”式布局的f p g a 的互连 结构中，通用互连资源构架的设计包括以下几方面的内容： ( 1 ) 布线通道内通用互连线段的长度和数目( 人们一般将跨过一个逻辑模块的导线 长度设为单位长度，即跨过n 个逻辑模块的导线称为n 单位长线) 。 ( 2 ) 通用互连线间的连接方式。主要有传