碩士現場可編程門陣列(fpga)模擬電路設計研究畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ................................131 定制版圖設計 ...............................................132 SRAM 電源系統設計 ...........................................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 ............................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與工業應用的 FPGA 而言，沒有 I/O 接口、上電復位和電源系統等模擬電路模塊就不能保證 FPGA 在各種實際應用環境中正常工作。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受到產業高速增長與核心技術長期受制國外技術壁壘的雙重影響，出現了產業規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(包括計算機、通信設備制造和視聽產業)仍具有較強的國際競爭力，而本土的元器件研發產業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，中國電子信息產業仍處于加工組裝階段的現實。因此，從某種意義上來講，中國電子產業的基礎研發能力大而不強。基于以上原因，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揮良好的經濟效益和社會效益。 現場可編程門陣列簡介所謂現場可編程門陣列(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 和通用門陣列的優點，可實現較大規模的電路，編程也很靈活。與其它 ASIC 相比，它們具有設計開發周期短、設計制造成本低、開發工具先進、標準產品無需測試、質量穩定以及可實時在線檢驗等優點。與 PAL、GAL 器件相比，它的優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，實現現場可編程(基于 EPROM 型)或在線重配置(基于 SRAM 型)。因此，FPGA 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 和中小規模通用數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。可編程邏輯功能塊是實現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 單元實現芯片上邏輯與外部封裝腳的接口，圍繞著陣列于芯片四周。可編程內部互連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 能夠減少電子系統的開發風險和開發成本(NRE)，同時有效的縮短上市時間(time to market)，并且通過在系統編程、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、數據計算等領域得到了廣泛的應用。FPGA 的發展推動了先進制造工藝和封裝工藝的出現，通過全定制的電路和版圖設計方法所進行的設計優化，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，用戶需求與協議標準的變化，FPGA 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、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 技術的優點是采用標準 CMOS 工藝，可重復設計和在系統可重配置。缺點是易失性，每次斷電后 SRAM 的數據就不存在了。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據。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 在系統可重配置的特性，利用模擬電路的設計方法，實現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使用比較多的產品主要有 ASIC 和 FPGA，在這兩者之間F