现场可编程门阵列(fpga)模拟电路设计研究硕士研究生学位论文(编辑修改稿)

现场可编程门阵列(fpga)模拟电路设计研究硕士研究生学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

................................ 167 第一章 绪 论 1 第一章 绪论 课题的背景和意义 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、 GAL、 EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。 作为专用集成电路 (ASIC)领域中的一种半定制电路， 该产品 既解决了定制电路的不足，又克服了原有 类型的 可编程器件门电路数有限的缺点。 由于 FPGA 产品 具有上市时间短、设计成本低、便于升级与重复使用的特点，目前 被 广泛应用在通信、航天、航空、导航、遥感、遥测、程控交换机等军、 民用领域 [1]。 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块 IOB(Input Output Block)和内部连线 (Interconnect)三个主要部分。 对于一个实际投入商业与工业应用的 FPGA 而言，没有 I/O 接口、上电复位和电源系统等模拟电路模块就不能保证FPGA 在各种实际应用环境中正常工作。 因此对于 投入 实际应用的 FPGA 产品 而言 ， 模拟电路的设计 是至关 重要 的。 但是， 由于中国集成电路产业 受到 产业高速增长与核心技术长期受制 国外技术壁垒 的双重影响 ， 出现 了 产业规模 盲目 扩大与 产品 效益低下并存，外资大量进入与本土大企业缺失 并存 的尴尬局面。 由于外资的巨大贡献，中国的整机 制造 产业 (包括计算机、通信设备制造和视听产业 )仍 具有较强的国际竞争力，而本土 的 元器件 研发 产业在全球所占的份额则十分有限。 这一格局在客观上反映了国内的企业与科研院所尚不具备与跨国公司开展全面竞争 ， 中国电子信息产业仍处于加工组装阶段的现实。 因此，从某种意义上来讲， 中国电子产业的基础研发能力大而不强。 基于以上原因 ，国内在 可编程逻辑器件领域 尚 处于起步阶段，研究大 多 集中于电路综合和布局布线算法理论。 对于实际的 FPGA 芯片设计，尤其是商业化FPGA 芯片中模拟电路的设计与研究 尚未有成功先例。 因此 ，掌握了 FPGA 模拟电路 设计 技术， 可以 加速 我国 FPGA 研制进程，缩短与先进国家水平的差距，从而在军事和国民经济各领域发挥良好的经济效益和社会效益。 电子科技大学硕士学位论文 2 现场可编程门阵列简介 所谓现场可编程门阵列 (FPGA)是指可以方便地通过实时下载不同的配置位流文件 (bit stream)，而实现不同逻辑功能的门阵列芯片。 20 世纪 80 年代中期 ， Altera 和 Xilinx 分别推出了与标准门阵列类似的 FPGA，它具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。 这种器件兼容了 PLD 和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。 与其它ASIC 相比，它们具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点。 与 PAL、 GAL 器件相比，它的优点是可以实时地对内置的 SRAM 或 EPROM 编程，以实时地改变器件功能，实现现场可编程 (基于 EPROM 型 )或在线重配置 (基于 SRAM 型 )。 因此， FPGA 被广 泛应用于产品的原型设计和产品生产之中，几乎所有应用门阵列、 PLD 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用 FPGA 器件。 FPGA 通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块 、 可编程 I/O 块和可编程互连。 可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程 I/O 单元实现芯片上逻辑与外部封装脚的接口，围绕着阵列于芯片四周。 可编程内部互连包括各种长度的线段和编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或 I/O 块连接起来，构成特定功能的电路。 不同厂家生产的 FPGA 在可编程逻辑块的规模，内部互 连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。 目前，在市场上比较常用的是 Xilinx 和 Altera 公司的 FPGA 器件。 由于 FPGA 能够减少电子系统的开发风险和开发成本 (NRE)，同时有效的缩短上市时间 (time to market)，并且通过在系统编程、远程在线重构等技术降低了维护和升级成本，因此在通信、控制、数据计算等领域得到了广泛的应用。 FPGA 的发展推动了 先进制造工艺和封装工艺 的出现 ，通过全定制的电路和版图设计方法 所进行的 设计 优化， 使 FPGA 在逻辑密度、性能、功能和功耗方面得到大幅 改善 ，成本 显著下降。 随着 FPGA 在功能、密度、速度上的不断提升 与 成本的降低，用户需求 与 协议标准的变化， FPGA 芯片 由于其便利的可升级性， 不但被用来制作原型机，而且还被大量地应用到网络、消费电子、科研、航天及国防的许多最终产品中，成为一系列电子系统的核心。 第一章 绪 论 3 SRAM 编程技术介绍 通过对 熔丝 、 EPROM、 EEPROM、 SRAM，反熔丝和 Flash 等可编程技术的研究，总结可编程逻辑器件可编程 技术 的特性，见表 11。 表 11 可编程开关技术比较 编程技术 可重复编程 易失性 制造工艺 熔丝 否 否 Bipolar EPROM 电路外 否 UVCMOS EEPROM 在电路 否 EECMOS SRAM 在电路 是 CMOS 反熔丝 否 否 CMOS+ Flash 在电路 否 Flash SRAM 编程技术最先使用是在 Xilinx 公司的 FPGA 产品中，现在已经广泛使用在其他公司的 FPGA 产品 中。 基于该种编程技术的 FPGA 的 可编程互联、可编程 I/O、 CLB 单元的的配置信息都存储于 SRAM 阵列中。 图 1－ 1 示出了 Xilinx 公司的一个 5 管 SRAM 配置单元，该单元是由首尾相连的两个反相器和一个导通晶体 管构成的 [2]。 图 11 5 管 SRAM 配置单元 SRAM 技术的优点是采用标准 CMOS 工艺，可重复设计和在系统可重配置。 缺点是易失性，每次断电后 SRAM 的数据就不存在了。 所以在使用 SRAM 型 FPGA时需要外挂存储单元 (通常是 PROM)，这样在每次上电时，从存储器中装载配置数据。 另外，采用 SRAM 技术编程的 FPGA 所需芯片 面积 是 最大的，这是 由于 通常一个 SRAM 单元都需要 5～ 6 个单管组成 [3]。 由于本次课题采用的制造工艺是标准 CMOS工艺，所以选择 SRAM做为 FPGA内部各个配置点配置信息的存储单元，并且 结合 SRAM 在系统可重配置的特性，利用模拟电路的设计方法，实现兼容多种接口标准的在线可重配置 I/O 接口电路的设计。 电子科技大学硕士学位论文 4 FPGA 和 ASIC 的对比 目前在电子行业使用比较多的产品主要有 ASIC和 FPGA，在这 两 者之间 FPGA是最具有技术优势的一种产品，并且具有逐渐取代 ASIC 的趋势。 ASIC 是专用集成电路的英文简称。 在过去的一段时间中， ASIC 设计技术一直是集成电路设计市场的主流。 一般说来， ASIC 主要针对大批量生产的专用产品，以尽可能的降低生产设计成本。 而 FPGA 由于其良好的可配置特性广泛应用小 批量的产品设计中，尤其是在 ASIC的原型验证阶段经常使用 FPGA来构建硬件平台。 但是随着 FPGA 在性能、密度上的提升，以及芯片制造工艺的改进导致的 NRE 成本激增，使 ASIC 的市场逐渐被 FPGA 所占据。 对于 ASIC 与没有使用嵌入式硬核基于 LUT 的 FPGA(图 12)而言， ASIC 与FPGA 的延迟性能大概相差 12～ 14 倍，并且该结果针对 ～ 90nm 的 CMOS工艺都是基本适用的。 不考虑性能的情况下，对于实现相同的逻辑功能而言，没有使用硬核的 FPGA 比 ASIC 面积大 35 倍，动态功耗增加 14 倍以上。 图 12 不包含嵌入式硬核的 FPGA 电路结构图 为了逐渐减小 FPGA 与 ASIC 之间的性能差异，尤其是降低 FPGA 与 ASIC 的功耗和面积差距，越来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 的芯片面积和动态功耗，但是对于芯片速度的提升而言影响不是很明显，因此要根据具体的应用要求来选择合适的 FPGA 使用方法。 而减小的芯片面积可以大幅度的降低互联线电容和负载电容的影响，所以根据动态功耗的公式可以知道，随着面积的减小，电容也相应减小，从而降低了芯片的动态功耗。 在相同性能的条件下，使用硬核的 FPGA 和 ASIC 相比，面积增大 5 倍，动态功耗增大 ～ 12 倍，速度慢 ～ 倍 [4]。 第一章 绪 论 5 正是由于嵌入式硬核的使用，减小了 FPGA 与 ASIC 之间在性能上的差距。 因此，在当今的 FPGA 设计中越来越多的嵌入式硬核被加入到 FPGA 结构中去，最常见的有高速 I/O 接口电路、 RAM 阵列、硬件乘法器和 DLL 单元。 用户可对 FPGA 内部的逻辑模块和 I/O 模块重新配置，以实现用户的逻辑。 它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。 作为专用集成电路 (ASIC)领域中的一种 半定制电路， FPGA 既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 可以毫不夸张的讲， FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能 CPU,下至简单的 74 电路，都可以用 FPGA来实现。 FPGA 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。 通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。 在 PCB 完成以后，还可以利用 FPGA 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。 使用 FPGA 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少 PCB 面积，提高系统的可靠 性。 FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的 RAM 进行编程。 用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时， FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后， FPGA 进入工作状态。 掉电后， FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此， FPGA 能够反复使用。 FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、 PROM 编程器即可。 当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。 这样，同一片 FPGA 通过使用不同的编程数据，可以产生不同的电路 功能。 因此， FPGA 的使用非常灵活。 可以说， FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 综合以上各方面， ASIC 在产品生产规模比较大时，能够在降低生产成本方面有一定的优势。 FPGA 由于 可以用 VHDL 或 Verilog HDL 来编程，灵活性 最 强， 并且 能够进行编程、除错、再编程和重复操作。 同时，由于没有 NRE 成本，因此可以充分地进行设计开发和验证。 相比较于 ASIC， 当 设计的 电路有少量改动时，更能显示出 FPGA 的优势，其现场编程能力可以 用来进行系统升级或除错，大大 延长 了 产品在市场上的寿命。 综合看 来， FPGA 更加符合未来电子行业的发展，在未来必将得到更为广泛的应用，并将逐步取代 ASIC，在电子产业中发挥巨大的作用。 电子科技大学硕士学位论文 6 市场需求 分析 FPGA 在我军军事装备中被广泛用于航空、航天、船舶、兵器、电子、核 能 等各研究所及工厂，为我军装备 的 跨越式发展 与 技术性能的提高 提供 了良好 契机 与巨大潜力。 采用 FPGA 可快速 替代 原有的成熟 板级 电路 系统 ，从而 大大 减小整机重量，且无需承担投片风险， 利用 最 少的成本实现 军用装备 ―减重增程 ‖的目标。 所有 FPGA 在出厂之前都做过百分之百的 故障 测试 ， 保证了出厂芯片的功能正确， 设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终设计。 所以，整机设计采用 FPGA 的方案，技术风险更小、开发周期更短，资金投入 更 小，节省了许多潜在的 故障检测 花费。 为了符合我军国防现代化的发展要求，军用电子装备对 FPGA 的需求也呈现出了逐年增长的趋势。 一方面，这是由于军用集成电路的种类繁多，如果使用ASIC(专用集成电路 )技术去实现的话存在设计生产周期长、投资成本高、设计风险大的缺点。 另一方面，由于国防技术的不断发展和国防装备现代化的需求，电子武器装备的更新换代逐渐加快，这就对电子武器系 统的升级和维护提出了一定的要求，而 FPGA 具有升级方便、便于维护的特点。 因此，越来越多的军用电子设备开始广泛使用 FPGA 来进行武器装备的设计和生产。 但是 ， 目前国内 所 使用的 FPGA 器件 全部 依靠进口， 并且 其核心生产设计和制造技术完全 被国外公司垄断， 由于产品 进货渠道狭窄，产品价格昂贵。 国内在可编程逻辑器件领域还处于起步阶段，国内多家研制单位作了大量基础性的工。