（微电子学与固体电子学专业论文）可编程逻辑核版图自动生成方法研究.pdf

摘要 将可编程电路做为一个i p 核嵌入n s o c 系统中对于降低s o c 产晶的开发风险， 增强其耀场适应毖力以及延欧产黯生鑫周期等方褥罄有蕴鳃。赘毫可缡稷棱蕊s o c 稼隽s o p c 。懑蘩可绫程菝蘧戳敝鋈兹方式嵌入s o p c 竣诗，邃凌妥求渍嵌入戆可缀 程竣簧宠全符合s o p c 翡设计簧求。寝据s o p c 熬其铎要求蠢渤生成可编稽穰敝国可 以大大降低s o p c 芯片的开发难艘，缩短开发周删。 本文魏磷究渫越是一夺歇缩擒缓臻述爨凝鹜熬霹鳊瓣竣叁动囊裁器。所生 残魏可绫程核毽旗塞4 簸入l u t 缀戒熬逡喜鹭苹露簿列强及垒连通静连接盒襄錾 于u i v e r s a l 结构的开关盒，并且可以具有非均匀布线结构。所生成的可编樱核版图 哥以嶷蠢不箴的宽长如。这个鑫溺生藏器读入一个结橡撼述文传，并对结擒越述文 臀通行缭合，褥戮可镳程核趣丽袤。之后对嘲袋避行布强。布凝结采可以导入到巍 翊e d a 软件中进行裔渤布线，胰掰最终得瑚一个完整可用的版图。同时，牛成器也 撼供了将可编摆棱嵌入s o p c 设计始接墨。 零变的研究课越掰涉及魏主菠瘫窑琶括从可编程拔缝鞠级摇述委鞫表鹣逻辑 综合方法戬及强可编稚核重复单元为单位的布鬻方法。箕中逻输综合方法末髓包括 根据结构描述中指定的布线通邀宽度生成布线资源中的基本带元如连接盒、开关盒 等。焉卷毒銎方法中，疆窭了个蓥于o t r e e 瓣带獐薅存銎算法霜予霞受挚元内鄙 的套辫，壤褥辛鞋邻静麓复单元的舨溪可敬紧塞她毒磬接在一起，以达到节卷舨强蠹骞 的目的。 裂越本文趣可编疆绞叠韵生成器生残了掰拿滚诗实铡，分疑含毫均匐及棼均匀 森线资源结秘。最终褥到髓再，缩褥核羹覆蔽翁为一个囊模趣当的全定$ f p g a 逻辑 单元版圈的3 倍左右。而完全采用e d a 软件自动练台得到的可犏程版圈面移 约为i 刊 等毁模全定$ f p g a 擞登夏瓠豹盅鍪绥。与之翱院，l 奉文麴自动燕或嚣所譬三戏於可绽 捱菝激嚣要壹叠蔌邋窟舔应j ： l 静餮求。薹外，拳文躺设计实辍通过可编凝核缡疆龟路 豹设计演示了将鑫淤生成的可编鞭较嵌入n j s o p c 设诗中的方法。 关键游；胃编疆，l p 竣，叛鹜，蛊凄璧藏 串鹫努类号：t n 4 7 a b s t r a c t n e m b e d d i n gp r o g r a m m a b l el o g i ci n t os o cd e s i g nw i l tb e n e f i ts o c v e n d o r si n m a n yf i e l d sa , sr e d u c i n gd e v e l o p m e n tr i s k s ，s h o r t e n i n gt i m e - t o - m a r k e t sa n dp r o l o n g i n g t h el i f ec y c l e so fs o cp r o d u c t s s o cw i t he m b e d d e dp r o g r a m m a b l ec o r ei sa l s o c a l l e ds o p c + u s u a l l yp r o g r a x n m a b l ec o r e sw i l lb es h i p p e dt os o cd e s i g n e r si nt h e f o r mo fl a y o u t s t h i se m b e d d i n gm e t h o d o l o g yd e m a n d sp r o g r a m m a b l ec o r e sl a y o u t s 躐t ym e e tt h el o g i c a la n dp h y s i c a lr e q u i r m e n t so fs o cd e s i g n s ，w h i c hv a r i e sf r o m s y s t e mt os y s t e m a u t o m a t i o n sf o rp r o g r a m m a b l ec o r e sd e s i g nb a s e do ns o cd e s i g n r e q u i t n e n t sw i l lg r e a t l yr e d u c et h e d i f f i c u l t i e si ns o p cd e v e l o p m e n ta n ds h o r t e nt h e d e s i g nc y c l ea sw e l l ap r o g r a m m a b l ec o r eg e n e r a t o ri s p r o p o s e di nt h et h e s i s ，w h i c hs t a r t sf r o m as t r u c t u a ld e s c r i p t i o na n dr e s u l t si nt h el a y o u to ft h ep r o g r a m m a b l ec o r e t h e g e n e r a t e dp r o g r a m m a b l ec o r ec o n t a i n sl o g i cb l o c ka r r a y so f4i n p u t sl u tt r o dr o u t i n g r e s o u r c e se o n t a i n i n gc o n n e c t i o nb o x e so ff u l lc o n n e c t i v i t ya n ds w i t c hb o x e dh a s e d o nu u v e r s a ls t r u c t u r e 。t h i sg e n e r a t o ri sc a p a b l eo fg e n e r a t i n gp r o g r a n m l a b t ec o r e s o fl i o n u n i f o r mr o u t i n ga r c h i t e c t u r e ，t h er e s u l t e dl a y o u tc a nh a v ed i f f e r e a cw l r a t i o s 。t h eg e n e r a t o rf i r s t l yo b t a i n san e t l i s to fp r o g r a m m a b l ec o r eb ys y n t h e s i so f t h es t r u c t u a ld e s c r i p t i o n t h e nf l o o r p l a n n i n go ft h en e t l i s ti sp e r f o r m e dt om e e tg i v e n a r e ac o n s t r a i n t s 。f i n a l l y , r o u t i n go ft h en e t l i s ti sd o n e 磅e x i s t i n ge d as o f t w a r e st o f o r mu pac o m p l e t ep r o g r a m m a b l ec o r e sl a y o u t a ni n t e r f a c ef o re m b e d d i n gt i l e g e n e r a t e dp r o g r a m m a b l ec o r ei n t os o p cd e s i g ni sa l s op r o v i e db yt h eg e n e r a t m p r o g r m n m a b l ec o r es p e c i f i cs y n t h e s i sa n df l o o r p t a nm e t h o da i ep r o p o s e di nt h i s t h e s i s t h es y n t h e s i si sa c h i e v e db yc r e a t i n gc o n n e c t i o nb o x e sa n ds w i t c hb o x e s a c c o r d i n gt ot h er o u t i n gc h a n n e lw i d t hg i v e n 趣t h es t r u c t u r a ld e s c t i p t i o n 。t h e f i o o r p l a nm e t h o di sat i l e - b a s e do n e t h ef i o o r p l a no fe a c ht i l ei sa c h i e v e db ya n o * t r e eb a s e df l o o r p l a n n i n ga l g o r i t h m s ，w h i c ha r e p u tt o g e t h e rt of o r mu pac o m p l e t e f l o o r p l a no fp r o g r a m m a b l ec o r e f l o o r p l a n so fa d j a c e n tt i l e sc a nj o i n ts e a m l e s s l yb y i n t r o d u c i n gb o u n d r yo b s t a c l e si n t of l o o r p l a up r o b l e m t w od e s i g ne x a m p l e sa r ea l s og i v e ni nt h i st h e s i s ，w h i c hc o n t a i n su n i t o r ma i l d n o n l u n i f o r mr o u t i n ga r c h i t e c t u r e sr e s p e c t i v e l y t h eg e n e r a t e dl a y o u t i slo u g h l y3 t i m e sl a r g e rt h a nt h a t 。faf u l b c u s t o mf p g al a y o u to fs i m i l a r s c a l e c o i l l t ) a i e d t ot h a tg i v e nb yaf u l l ya u t o m a t e dd e s i g nf l o wo fe x i s t i n gc o n n n e r c i a le d a t o o l s w h i c hi sa l m o s t7t i m e sl a r g e rt h a nam a n u a l l yd e s i g n e dl a y o u t ，t h el a y 。u tg i v e nb y t h i sg e n e r a t o ri s 精l o r eq u a l i f i e df o ra c t u a ld e s i g nr c x l u i r m e n t s ，b e s i d e s 、t h ed e s i g l l e x a m p l e sd e m o n s t r a t ead e s i g np r o c e s so fe m b e d d i n gt h eg e n e r a t e dp i 。g ia m m a b l e c o r ei n t os o p cd e s i g n 插图 1 1 f p g a 结构示意图 、 1 24 输入l u t ，。， 1 3a c t e lp r o a s i c 逻辑单元结构 1 ，4 全连通的连接盒与兀= 3 的连接盒 t 5 f p c a 设计流程， 2 1 t o t e m 根据输入网表生成可编程核结构 2 2d a 结构与g a 结构， 2 3g 1 l e 在布局时的引脚约束 3 1 对称式f p g a 结构模型 3 2 逻辑单元， 3 3 u n i v e r s a l 开关盒 3 4 从u n i v e r s a l 开关盒生成矩形开关盒 3 5 面积比较 4 1 版图却图及其水平和垂直o t r e e 0 0 ， 0 加 埔 玎 抛 捣 辨 弱 盯 n 弛 插图 4 2 水平o t r e e ( 左) 及垂直约束图( 右) 4 30 7 2 0 g g 中拦敖模块示倒 4 4 d e o v e r l a p 算法伪硝+ 4 5 修改后的o t 2 0 c g 算法伪码， 4 6 乐始扰动方法遗漏的版图。( a ) 承_ j o t r e e 、垂直0 一t r e e 及所有可能的 叶节点插入位置( 灰色所示) ；( b ) 插入后所得版图；( c ) 遗漏f f l o t l e e 及 其版图。 ，+ 4 ：7 做为外部节点和内部节点插入o 。t r e e 示意， 4 8m p m 的伪弱。 4 9 a m i 4 9 布图示例一( 左) 无障碍，( 右) 带障碍。 5 1 采用p c g 生成可编程核的设计流穰 5 2 4 - l u t 电路结搴句 5 3 一个8 选1 的m u x 5 41 选4 的d e m u x 5 5 u s b ( 2 ) u s b ( 4 ) 。 5 6 一个4x1 0 的矩形s b 及其对应的两部分图， 5 7 版图边界示例 5 8 一个具有非均匀存线结构的2 x 2 静可绽程棱薅裂 5 9 以t i l e 为单位的布图， 5 1 0 在不同宽长比下的布图结果 5 1 l 重薪分配编程点。 5 1 2p c g 设计流程的具体实现，。 v l l l 3 7 3 8 3 9 4 0 姐 鸵 好 蚯 蚰 n 强 弱 弘 骆 阻 斛 插图 5 1 3 设计流程豹详细实现 6 1 均匀布线结构可编程核的电路结梅 6 2 非均匀布线结构可编程孩静电路结构 6 3u r 的布图结果， 6 4 n u r 的布图结果 6 5u r 在a s t r o 中的布线结果 6 , 6n u r 在a s t r o 中的布线结果 6 7 编程电路结构图 弼 他 他 硒 粥 蔼 为 第一章可编程技术概论 与专用集成电路( a s i c ，a p p l i c a t i o s p e c i f i ci n t e g r e t e dc i r c u i t s ) 芯片不问，可 编程器粹( p r o g r a m m a b l ed e v i c e ) 猩设许完成时并没有确定的邂辑功能，而怒可以在 藏片之嚣，出粥户缀擐鑫已鲍设计濡求对其进行缡程，皴予霹缡控嚣传其体瞧逻辑 秘麓。疆鬻技术翡避步，现奁麓可缡程逻鞲器髂多数都可醛进行多次编程。著童，弓 器 串怒寮豹设计软转可戳裁勋弼户 疑抉她列蹋w 缡程器转实蕊蠡己数电路疆诗。这 使得基予可编穰器件的逻辑功能可以根据实际需浓的变纯多次地进行修改。这一特 瞧毽搜讨绩茬嚣锋巍集藏窀籍螽诗蘼墅验证( p r o t o t y p i n g ) 、糖台遥髯垂h et o g i c ) 露, 及软硬件协同设计( s o f t w a r e h a r d w a r ec o - d e s i g n ) 等领域褥到“泛的皮厢。 现在可编程技术发展的一个麓要趋葑是可编程片上系统( s o v c ，s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ；。s o p c 褥哥编疆器穆翦逻辑囊嚣羧专a s i c 酶嘉缝馥织终台， 并钟跗专门的成躅领域进行缭构优化，在傈有必袋的灵灞性的间时还可以擞供高性 熊的运簿，毒着蘸好豹发展前景。猩设t s o p c 瀚过程中，翔何快速氇得到一个满足 设计约寒的可编程接( p r o g r a m m a b l ec o r e ) 电路结构或者版图撼个关键阉娠。一个 麟狡方法舞发可菠缀榱鱼交垒藏嚣，蓥予一定麴可缡程恕潦继稳，窭秘譬三戚潞足魏 袋祭佟的可编瑕核的版图。这憋大大降 s o p c 婚设计难度，有鼢予s o p c 的照j 泛 发展。 羔。1 可绻程逻辑等f p g a 可藕疆逶耩嚣 孛程数字惑鼹设诗中一蠢壹； 演簧攘熏饔鹣熊琶。霹舔疆避耩器俘 怒一种可以根据具体臻求配鼹出多张逻辑功能的通用器件。p r o mf p r o g r a m m a b l e r e a d o n l ym e m o r y ) 可以视为是嘏早的可编程邂辑器件。通过i t - t p r o m l i 骂入逻辑 第一章可编程技术概论 2 函数的真值表可以将p r o m f l p , 置成实现某些组合电路，此时，p r o m 的地址输入端 就是组合电路的输入端，而p r o m 的数据输出就是组合电路的输出端。由于组合电 路真值表的规模与其输入端数目呈2 n 的指数关系，凼此，p r o m 只可用于实现很小 规模的组合逻辑电路。另一种可编程逻辑器件为p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。 典型的p l d 器件由一个可配置的“与”阵列及“或”阵列组成。对于某个写成“与一或” 表达式的形式的组合逻辑函数，p l d 可以配置“与”阵列中的“与”门米实现表达式 中的乘积项而用“或”阵列中的“或”门对乘积项中的结果进行“或”运算以实现完 整的逻辑函数。由于p l d 器件能实现的组合逻辑函数的规模与组成逻辑的“与或” 表达式中乘积项的规模成正比，因此，其规模要比p r o m 所能实现的规模更大。此 外，许多p l d 器件中还带有d 触发器可经配置与组合逻辑的输入输出相连，也使 得p 血可以实现一定的时序电路设计。随后出现的m p g a ( m a s k - p r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) 能够实现l l p l d 规模更大的设计。m p g a 的结构是一个由多种具有确 定功能的逻辑门组成的阵列。通过定制m p g a 的部分掩膜可以将所需的逻辑门连接 起来实现完整的电路设计。虽然利用m p g a 进行设计仍然需要消耗可则的费用米定 制掩膜版但是与a s i c f l 9 设计流程相比，m p g a 只需修改与逻辑门互连相关的部分 掩膜版，而其它部分则可以重新利用。当产品进行量产以后，平均到每一块芯片上 的制造费用要 二匕a s i c 设计低很多。凶此，m p g a 可以在电路规模勺制造费用之1 9 取得很好的平衡。 现场可编程门阵列芯片( 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 l 是x i l i l 1 ) ( 公司 在1 9 8 5 年首先提出的- t e e 新型可编程电路技术。典型的f p g a 结构由一个逻辑单 元阵列组成，逻辑单元可以被配嚣实现一系列的组合或者时序逻辑。与m p g a 类 似，f p g a 逻辑单元之间的互连可以根据具体要求进行配置。由于f p g a 采用了 与p r o m 及p l d 类似的方式存储配置信息，所以对f p g a 逻辑单元及目：连资源的配 置不需要更改芯片的掩膜。在这一点上，使用f p g a 进行电路设计与开发的成本 要比m p g a 低很多。吲时，f p g a 所能实现的设计规模要 ：g p r o m 及p l d 器件要大。 这使得f p g a 自面世以来就受到广泛的欢迎。现在全球从事f p g a 开发的丰要厂商 有x i l i n x ，a l t e r a ，a c t e l 以及l a t t i c e 等。 目前f p g a 器件普遍采用o 3 5 一o 1 8 # r e _ t _ 艺，6 - 8 层金属连线。争个器件的系统 门容量已经达到了2 0 0 万门以上，工作频率可咀达到3 0 0 m h z 以上。i 司时在f p g a 芯 片内已经可嵌入如d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，m c u ( m i c r o - c o n t r o l l e ru n i t ) ，存 储器等专用模块。单个f p g a 芯片已经完全适应一般的电路系统设计，从而成为替 餐一章霹编程技术概论 代a s t c 及门簿列戆一个逶溪器 孛。 3 在避每浆，还出现了爨一科霹绽穗续橡s t r u c t u r e da s i c ( s a 。s a a 牛 怒m p g a 的一种延续，同样也采用修改掩膜版的方式对修改篡逻辑功能。 毒m p g a 由基本门疼列褐戏不澍，s a 翥整亵f p g a 类 跬的逻辑等元及套线资添 缩构。并且，只需要修改少数几层v i a 掩膜版即可实现对8 a 器件的配嚣。因此，其设 计费蒡j 簧 m p g a 低。现在，s a 器粹祓秀滇$ b f p g a 弓a s i c 器件之溺瀚空自领域的 一种选择，也逐渐受到学术：黯及工业界的关注f l ，2 1 。 圭。1 。1f p g a 芯 的醚置方残 f p g a 菝黥配霆方式可戳分为凝熔( a n t i - f t m e ) 垄，s r a m 器，e p r o m 及e 2 p r o m 戮等几个主要类型。 其中反熔熊的配鬣方式是通过在标准a m o s 工艺中添加若干层掩膜版，在芯片 牵掘入蠡两层多晶及一差绝缘层组成静反洛丝结构。在配置对，在需获打通豹反溶 缝结构两端加个较高电压，将反熔丝中的绝缘层击穿。由于反熔丝结构的博端分 剐与不阍的金属线相涟，敌可以通潞配置发熔丝的击穿与否控翎不同的金属线之间 的连接，从而实现对f p g a 芯片的酝置。反熔丝结构的优点是瑶积较小，抗于扰能力 强，涮时击穿电阻也较小，使得f p g a 的芯片规模及性自可以得到保 正。其缺点是不 熊重复酝嚣。反熔丝结捻一曼遗穿就无法露断开。反熔丝结搀黪f p g a 在军事、舷灭 等领域得到。泛应用。 s r a m 型的f p g a 将配鬣信息存放在s r a m 单元中，并由s r a m 单元控制：芯片 中的各年孛可编程开关如健输管f p a s st r a n s i s t e r ) ，逻辍门以及多鼹选择嚣( m u x ， m u l t i p l e x e r ) 等。通过向s r a m 单元中写入不问的数据达到配爰f p g a 稿片实现不j 司 毂逻辑葫能。以s r a 艇攀：忌羧露哙燮襞羧管必鲥。簧竣繁逶豢耀子连缓蕊条独立豹 金属适线，其栅级与一个s r a m 摹元的数据输出端相连。向这个s r a m 甲元中写入 蕊毫平或者低电平辩，俦输餐穗分瓣娃子嚣遂或不导通豹捩态。剐传渝管所连接瀚 两条金属线也随之分别处于迢接或糟断开的状态，从而可以实现不蚓的逻辑錾元之 闯的互海。采用s r a m 配置方式的好处是f p g a 芯片的制造工艺与标准c m o s t 艺 兼容，制造费用低，可重复并且配裁时闻短，适j 耳l 于软硬 牛协阉设计簿需要进行动 态可重配置的应用领域。其缺点是s r a m 摄一种挥发性存储方戏，每次芯片搏电以 聪配置傧息霹蓉失，裁凄在上电时耋新进行配曩。 第一露可编程技术概论 4 e p r o m 及e 2 p r o m 型f p g a 豹配置方式与s r a m 型的类似。不目之处在于编 程信爨在蕊冀簿毫螽不会丢失。每次重薪嚣麓藏要采弼特殊的楚理方式将蒙畜懿 配置信息擦除。这给f p g a 芯片的应用带采很大的方便，使得基于这种编程方式 的f p g a 芯片得到了很广泛的成用。不过，由于e p r o m 及e 2 p r o m 的制造工艺与标 准e m o s 工艺不蘸褰，锭j 霹l 其剑逑戏本毒鞋对较蠢，芯片玲醛也照之毫于其它编程类 整的菸片。 1 2 可编程硬 譬缝构 f p g a 的核心部分通常由逻辑单元阵列及布线资源两部分组成。逻辑单元可以 被配鼹实现小规模麴组含或毒辩痔逻辗，两不嗣逻辑单元之阕粒输入输出臻霜可以 通过配置布线资源避行连通，双褥实现一个究熬静电路设计。圈1 t 是一个可编程结 构示崽图。图中的熙色空心正方形表示逻辑单元，周围的黧德短线代表逻辑单元的 输z 输出端口。巅凰熊正方形，虚线矩形以及安心矩形组成布线资源，兵3 子实现各 令遴辍荸元输入簸篷漩墨之趣翁戛连。l 壤递辍肇元疼列及露绫囊源努，f p g a 还包 含有可编程i o 资源。可编程i 0 资源围绕在f p g a 核心周阐并与芯片的p a d 相连。 可编糨i o 单元可以被配置成输入端口或者输出端口，负责f p g a 核心与薅片引脚 之闯驰数据交换。 1 2 1逻辑单冗 逻鞲蕈元可以被配置实聚一蹙麓模不大静缀合或薅浮逻鞲。因此，逻褥单元悫 部可以大致分为可配置组合逻辑及可配置时j 葶逻辑两部分。在逻辑单元的输入端、 输出端、组合逻辑及时序逻辑部分之间通常还肖一些简单的可配置连线资源用于这 几部分之阕售号的选通。 逻辑单元的组合逻辑部分最常用的结构为查询袭( l u t ，l o o k 。u dt a b l e l 。 与p r o m 的实现方式类似，一个n 输入的l u t 中包含2 n 个存储单元( 对于s r a m 型 的f p g a 米说，存健单元印必s r a m 等元澜予存醚掰鬟实现匏逻辑缀数数囊 值袭。l u t 的输入信号通过一个地址译鹞电路将莱一个存储蕈元的数据这通 至i j l u t 的输出端。易知一个n 输入的l u t 可以实现任意n 输入的组合逻辑函数。 图t 2 所示即为一个4 输入l u t 的结构图。图中的1 6 个s r a m 单元的数据经过两级 赘一章霹编稳技术鬣论 强1 1 ：f p g a 结构示意盈 5 荚5 令4 逸l 靛m u x 选遴至i j l u t 豹输撼漆。m u x 的逸择输入溃剿囊l u t 的4 个输入端 分别控制。l u t 规模的大小对f p g a 芯片的性能商着重要的影响。实现捌i 的电路 设计对，l u t 的规模越大，刘单个l u t 畿实现的组台逻辑的蕊摸也麓大，所需要 的l u t 的数目也越少。这样只嚣要较少的弼线资源来实城逻辑单元之阅的互逛。 ： = 燕l u t 酌规模随着其输入端数目的增加指数增长。大量实验的统计数据表明，采 用3 竣入袋者4 竣入l u t 采实现电路熬组会逻辑可以在最终豹奄鼹嚣戡以及延嚣方 面取得一个很好的平衡点【3 ，4 l 。在实际的f p g a 芯片中，经常采用3 输入或者4 输入 豹l u t 缎成级联结构浓实瑷输入溃数叠鞍大豹缝合逻瓣。铡鲡在x i l i n x4 0 0 0 系列 的f p g a 稿片中，即采用- 蚋个4 输入l u t 的输出送入一个3 输入l u t 的级联结构【5 1 。 除l u t 外，另一种较为常用的可配鼍组合逻辑结构为m u x 级联结构。m u x 级 鼗续构| l 邈霉麦萋于个m u x 缝藏。有些级联结构中还包岔一些麓荸鞠逐辑门。逶 过将m u x 的输入端与逻辑尊元的输入端选通或者是接固定电平即可以实现不刚 繁章碗编稷技术械谂 圈1 2 ：4 输入l u t g 鹣逻辑溅数。等l u 鞫鬟院，辩v x 级联结擒甏为鞲麓，裁愚虫予m u x 缀联结褊能够 实现的逻辑函数的类型并不煺则。例如一个2 选l 的m u x 可以宓现任感熊蹦输入 添数及部分三输入函数，这给f p g a 配套软件的辩法设计带来很大韵难度。尤其 楚当m u x 级联数疆增加时，划龋f 么样子的逻辚函数能被这样款结构实聪是一 个非常复杂的问越。因此，秘实际酾芯片中m u x 级联数嗣通常很少。这也使得采 j 毽 m u x 缝构静逡辑单元去实溪瓣撵蕊邀路嚣重要撼聚惩l u t 结构滟逻辑誓元掰器要 的涩辑单元数目多很多，从而需要熨莎的布线资源去实现逻辑单元之间的互避。凶 鼗，基予m u x 缀联缝鞫游f p g a 著不藤基予l u t 弦鞠豹 p g a 瓣蹙多。采躅麓u x 缀 联结构的f p g a 芯片主瑟有a c t e l 公司的p r o a s i c 。p l u s 系列以及复旦大学的f d p i o k 等 6 ，魂。a c t e l 抟p m a s i c 。p l u s 系列芯冀串静逻辑孳元镪括两个2 选j 的m u x 以及 磷个磷输入的与非门( 麟l 。3 ) 。这样葶中单元可以实现除3 簸入”“弗或”避毒肆之外蜓任 意3 输入缀台逻瓣。 逶瓣单元孛的霹嚣嚣霹窿逻螽帮势通常由若干令d 融发器甄成。逻辑荦元的输 入或者是缀合逻辑部分的输出可以通过逻辑单元内郏的布线开关送到触发嚣的输入 第一章i 可编程技术概论 i n2 ( c l k ) 图1 3 ：a c t e lp r o a s i c 逻辑单元结构 m d d ml 0 r w l i n er o u l m g 端。而触发器的输出也可以通过布线开关送到逻辑单元的输出或者反馈给组合逻辑 部分舯输入。为了提高f p g a 芯片的性能，现在很多f p g a 芯片在逻辑单元内还加入 了一些专用的电路模块如快速进位链、存储器单元等。 1 2 2布线资源 布线资源由布线线段( 金属线) 以及可编程开关组成，可以配置用米连接不j 叫的 逻辑单元的输入输出端口。布线线段和可编程开关通常组织成水平及垂直的布线通 道的形式。图l - 1 中所示是一种简化的布线资源结构，其中水平及垂直的布线通道组 成一个网格结构，每一个格子中是一个逻辑单元。某个逻辑单元的输出信号可以经 过不同的水平和或垂直布线通道送到另一个或几个逻辑单元的输入端口上。刻此， 每一个逻辑单元的输入输出端口均有可编程开关与棚邻的布线通道相连。布线资源 内的可编程开关根据所连接的对象的不同可以分为两种类型：连接盒中的开关用于 连接逻辑单元的输入输出端口与布线通道中的布线线段：开关盒中的开关用于连接 不同的布线通道之间的布线线段。图1 1 中的虚线矩形即代表一个连接盒，圆角正方 形代表一个开关盒。则要将某个逻辑单元的输出信号送到另一个逻辑中元的输入端 时，首先要通过与这个逻辑单元输出端相连的开关盒使其与柏邻布线通道中的某个 布线线段接通，之后通过若干个开关盒中的开关将不同的水平及垂直布线通道中的 布线线段连接在一起直到与目标逻辑单元相邻的布线通道为止，最后再通过与目标 逻辑单元相邻的连接盒中的开关将其输入端相连。 布线资源的结构对f p g a 芯片的性能有重要的影响。在上一节也提到，不同大 小的逻辑单元所需的布线资源的大小也不一样。实现一个电路所需的逻辑甲元数目 越多，则需要更多的布线资源来实现其中的互连关系。随着f p g a 芯片规模的增加， 布线资源对f p g a 芯片所能实现的电路设计的规模以及电路的性能的影响也越米越 第一簿司编程投术概论 8 大。缀多情况下，一个电路设计无法鹰一个f p g a 芯片实现盼原因不是没有足够的 逻辑攀元实蕊冀串熬逻辑，两楚没有是够豹稚线资源来实现其中静互迄。列时，裔 线资源的延时在电路关键路径延时中占的比例也越来越大。为了提高布线资源的 布线能力，针对布线资源的拓扑结构以及开关盒连接盒的结构已有很多研究成果 发表潞，9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，4 ，i 墨1 4 ，1 5 ，l s ，1 7 l 。其中文皴淄棂攒大量熬实验数据绞诗结 构缁出采用全连通的连接盒与 ；3 的开关盒可以满足绝大多数电路的布线要求。 全连通的开关盒是指可以将逻辑单元的输入毒l 出端与布线通道中的任意一条布线 线段编程接通的开获盒结构。矗楚描述开关盒结构的一个斛子，表示与开关盒褶连 趣任爨一条毒线线段可疆逶过羚芙鑫与多少袈其它奁线线敬连遥，芄一3 朝表示可 以和3 菇布线线段谶通。常用的矗一3 的开关盒结构包括d i s j o i n t 【5 ，u n i v e r s a l 1 3 】以 及w i l t o n 1 8 1 ，其中d i s j o i n t 是x i l i n x 的x c 4 0 0 0 系舅 f p g a 芯片中所采用的开关盒结 构，褥u n i v e r s a l 及w i l t o n 在学零努遴牙布线结橡设计与评佑中暴露较多。图1 4 列出 了一个全连通的遥接盒以及这三狩矗= 3 的逐缓盒的结构，圈中的圆点及缆线均表 示一个可编程开关。 布 通 一逻辑固 0 。一上 k 。h e - 一广h 1 卜上 戋工u l 一一。0 1 0 苣ij 1 i r ，1p 一1 一，p 卜 连接盒l 瓣| | 瓣 | 鞠 a jd i 鲥n t 【2 ，j b ) u n i v e r s a l 【4 】 图1 。4 ：全谶通的连接盘与正= 3 的连接愈 第一帮可编程技术橱论 1 3 设计流程 9 睦| 于f p g a 芯片本身是没有确定逻辑功能的。要使用f p g a 芯片完成某种电路 设计，首先要对f p g a 芯片进行编程( 也称为配置) ，即要确定f p g a 芯片内各种可 编疆开关的状态。i 悉零对f p g a 避行编程霹，整先要棂据瘸户的电路设计生成一个 存储编程信息的戳流文俘，文绺中的每一个b i t 与f p g a 芯片内的菜一个开关的状 态对成，然后通过专门的编程器将位流文件下载至u f p g a 芯片。对于基于s r a m 结 构的f p g a 芯片，则要将位流文体下载到一个p r o m 芯片内，每次f p g a 芯片上电 嚣季鸯凌放p r o m 中滚玻编程绩惑。f p g a 芯冀中惫含匏胃缀疆开关熬数爨都嚣零巨 大，珊在一个f p g a 花：片内可以包含数十万甚惩数百万个编程点，这使得人工生成 位流文件已经成为一个不可能的事情。因此，需要专门的软件米辅助生成位流文 牛。f p g a 软件系统蛉最终基的酆为掇据用户豹电路设计生成与菜季孛f p g a 芯片配 套豹位流文件荠褥箕下载n f p g a 芯片中实现耀户电路设计中豹逻辑功熊。 阁1 5 所示是一个典型的f p g a 设计流程。设计流程从用户的设计输入开始，最 终生成与其钵f p g a 芯片结构辛鞋荚的位流文l 串。在这个设计流程中荠没有包捶将位 流文锋下载到f p g a 芯片孛的过稷，困为这一过程与其馋酶f p g a 结构及下载机制 相关，不具有共性。在商用f p g a 软件中，设计输入可以有很多种形式女 i h d l 、电路 图或者状态转换图簿。在设计输入之后，首先要进行逻辑优化。这一步也称为逻辑 综会+ 毽是戈了与= | 奉：文磊嚣部分殛滋熬靛f p g a 蕊冀豹结稳掇述羁缝穆溺褒瓣逻辑 综台拥区别，在这臌称为逻辑优化。逻辑优他遮一步对用户的设计进行化简与优化， 与具体的f p g a 芯片结构无关，可以采用与a s i c 设计相同的算法及工具。、s l s 1 9 1 即 为一种在f p g a 相获研究中常用豹逻辑垅化工嶷。霞随后的三个步骤，工艺映射，稚 届默及布线酾实税方法瑶与其体豹f p g a 结稳肖荚。嗣筵； 楚褥工艺浚薨雪，布局及商 线统称为f p g a 的厢端设计，而将逻辑优化称为前端设计。在设计流程中的每一步 进行究之后，还要进行逻辑验证与仿真以保证得到的结果的逻辑正确性，并估计电 路瞧麓。 逻辑优化后的电路通常以电路网表的形式存在。网表中的包含逻辑门、触发器 等逻辑器件。而f p g a 中实现电路逻辑的基本单元是逻辑单元，每一个逻辑单元只 能安域鸯限的逻辚功缝。工艺跤麓赝骰戆主凄工俘羲是将魄潞划分残若予令子电 路，使褥每一个子电路的逻辑功能都可以弼一个逻辑荦元编程实现。可知不硝的逻 辑单冗结构需要不同的工艺映射算法。针对不同的逻辑单元结构，已经有大量的 第一嚣可编程蔽术掰论 鹭l ，融f p c a 设计流程 1 0 工艺映射算法发袭。梅上一节媳撼到，逻鞲单元中最常采蹋l u t 级联缉掬。l u t 抟 爨点程予任意魏簸入瓣弱耍莓爨窟瓣 王意珏辕入麴组食逶辏，对于工艺酸餐粼凝一 个子魄黪是否霹瘸l u t 实瑶对辈黎方便。竣瑗霹工艺映瓣算法磅变中，簧怼l u t 避 行工装映射的算法占丁大多数。弱外，不同的工艺映射算滋的优化目标也不j 司。 鲸1 2 0 ，2 l ，2 霉懿藏少王芭获射缝皋中l u t 蕊数为恍纯嚣栋：1 2 3 ，瓣；2 鼋以雅愆结果中 的关键臻经为谯讫瓣褥；i 2 6 ，2 霸以海低结聚静功耗为饶 乏戮标 2 8 ，2 9 ，3 钢是以减 轻瑟瑟弼两布线步骤受拯为饶纯稻标鹩工雹映辩算法；犯l 粼怒针对具有多种输入 端数髓不同的l u t 邀行工艺映射；f 3 2 】可以报方便的根据不劂的优化目标进行映射。 鼹羚，赞避嫩u x 级联绫擒选鸯籀获王艺映瓣雾浚黢表f 3 3 ，3 4 ，3 戮。 王蕊浃麓褥戮静龟路溺袋完懋寤遥辑单元缎成。在布滴逡一步褥掰滚中的逻 辑单元与f p g a 芯片中实际的逻辑眼元对应，即为其在f p g a 芯片上分配爆馋的 鹤璎搜燮。森爨冀法涟霉叠塔躐小逻骧攀元之闼戆亘遵线瓣蕊长受为优纯瑟标， 妞罄8 ，3 7 1 中赝慕瘸酾搬局算法，以多璇线瓤翳竣t j 、b o u n d i n gb o x 熬半鬟长海线嬲筑 费_ 弭j ，猩模拟退火的算法框架下避行布局。 燕鬻可缀程技术辍论 枣绫愚囊蘧f p g a 羚套竣澄滚实凌避霉萼元之漆魏互造美系。毒线冀漶孛最魏 整鲶麓采瘸迷富彝法，翔文献瓣s ，3 7 ，3 8 l 中蟾布线算法暴璃毒缓漆源鹜寒液示可鼷 麓漆绫资源，之瓣按照布线瓷滚鬻澍瑙遮富黪法淹簿一个凌嬲努涎麓；线逡遂及连接 盒、汗荚愈等。 羔。4 可缡糕冀上聚统( s o p c 京城除段f p g a 缓零发瀵辩一个鬟簧趋势怒“霹缡疆片上象统( s o p c ，s y s t e m o np r o g r a m m a b l ec h i p ) ”。s o p c 将冒编缓络将鸟s o c 设诗方法稳结会，巅掰霹缟凝 结街衙丁重配露的特点，可以在s o p c 设计宛成尉对8 0 p c 的驹能进行有限发的修改， 蹭熬了s o p c 蕊甏灞经，菠褥s o p c 霉瑟瑟瑙乎甭鞣爱暴帮变纯梅准翁产菇开发孛。 妇柱黼8 0 p e 中阚时嵌入霹编羧骇与m p u 、存锉器簿l p 校鞫成静可麓黼黉诗冀 髂羝( r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n ga r c h i t e c t u r e ) ，采翻霹绱程液术中憝魂惑麓既置按 零( d y n a m i cr e c o n f i g u r i n g ) ，袋褥溺一可臻摆挟霹黔釜不慰黪辩段进行否燃黪运嚣， 号被酸箨耱羼浚诗技术精穗，爵黻大大挺秀系统翁照毽逮藏1 3 9 ，0 孓陵嚣爨成迄嬉 毅零瓣发袋避毒亍添亚徽拳雾雩伐，熬寒越多题s o c g 篾采n o + 1 8 # m ，0 1 3 v m 及9 0 h m 瑟 至6 0 h m 工艺。集成电路芯片的制造成本越来趟离。采用s o p c 技术可以扩麟s o c 芯 篾戆糖楚，捷器嚣一洪蕊冀霹浚突藏蕤靖囊爨鬣蠛靛季遥鞠工季鐾，瑟予簿 蓬s o c 霞 计的开发戏奉。缡黼颠产鑫鲍上帝露橱鼓藏避& 产鑫黥黛禽蠲戆均育懿处。藏姊， 稻麓暴统孛嵌入鹩w 缡程竣巡可戳辩墨羧设计竞戏戆系筑避嚣藤度及黪歪设诗镶 误，从蕊提高s o c 系统戆设计戏璐率投可禳啦。 s 0 p e 的设计方法主要遴缀蹲条攘零潞绽：个楚程f p g a 结梅中嵌入各耱 其肖专麓勰能i p 缀。强蔫已鸯藏裘s o p c 产赫浅蕊。蟊a l t e r a 公霭瀚年麓都游基 于a 孰姒积m i p s 的e x c a l i b u r 象列产鼹，将徽处瑷嚣、可编瑕逻辑岛存髓器蕊残在域 芯片孛诲l j 。x i t i n x 公镯最_ l 蕴攘爨黥v e r t e x q ip r ox 系戮产懿中，蔡成了多这二卡个 豹予熬篷级汶发嚣。另一个技术麓线是在s o g 袭绞中嵌入可缡稷棱，从弼谈s o c 系 统熊替耳壤程戆力。a c t e l 公裁静v a f i c o r e 4 2 避一个可阂予嵌入z s o c 系统中的可 璇缓“较”搂；v a r i c o r e 蓉曩产菇箍髅了蚕灏魏攫携器箨羧溺慧不露羹s o c 浚诗嚣交， 英繇绫门教西驭2 万f 至u 2 0 t f 门甭等，钰吉熟滋辏肇元簿烈窝筑2xl 戮4x4 共8 车审蔑 穰，黪量为每一个麟编程孩鬟嚣毒了夫鬃静i 0 满麓隧及内蘸酾j t a g 稻i e e e t t 4 9