一款基于SRAM的FPGA器件设计

摘要

FPGA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FPGA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FPGA器件方面的各种研究成果基础上，对FPGA器件结构进行了深入的探讨，重点对FPGA的互连结构进行了分析与优化。FPGA器件速度和面积上相对于ASIC电路的不足很大程度上是由可编程布线结构造成的，FPGA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SRAM编程技术的FPGA器件中逻辑模块、互连资源等对FPGA性能和面积的影响。论文中在介绍FPGA器件的体系构架后，首先对开关矩阵进行了研究，结合Wilton开关矩阵和Disioint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FPGA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FPGA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FPGA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粗粒度逻辑块簇，该逻辑块簇采用类似Xilinx 公司的FPGA产品的LUT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IO模块数目的确定和分布式SRAM结构中编程电路结构的设计，并简单介绍了SRAM单元的晶体管级设计原理。最后，在对FPGA构架研究基础上，完成了一款FPGA电路的设计并设计了相应的电路测试方案，该课题结合CETC58研究所的一个重要项目进行，目前已成功通过CSMC0.6μm 2P2M工艺成功流片，测试结果显示其完全达到了预期的性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 FPGA的研究意义及现状

1.1.1 FPGA的特点

1.1.2可编程逻辑器件的发展历程

1.1.3 FPGA的现状及发展趋势

1.2 FPGA的分类

1.2.1按编程技术分

1.2.2按逻辑资源粒度大小分

1.3本文重点及结构安排

第2章FPGA的体系结构

2.1 FPGA体系结构

2.2 FPGA的可编程资源

2.2.1可配置逻辑模块

2.2.2 I/O模块

2.2.3互连资源

2.3用FPGA进行数字电路设计的CAD流程

2.4设计FPGA器件的关键技术

2.5本课题中FPGA器件的设计目标

2.6小结

第3章通用互连资源的设计

3.1面积模型和延时模型

3.1.1面积模型

3.1.2延时模型

3.2开关矩阵的结构设计

3.2.1三种常见开关矩阵

3.2.2适合中小规模FPGA器件的开关矩阵的改进结构

3.3可编程连接开关选择

3.3.1同时采用两种连接方式的开关矩阵

3.3.2本课题FPGA通用互连结构中的可编程连接方式

3.3.3可编程传输管开关对功耗的影响

3.4布线通道宽度和通用互连线长度的研究

3.4.1布线通道宽度的确定

3.4.2通用互连线长度研究

3.4.3本课题FPGA电路中通用互连线长确定

3.5长线结构和逻辑块簇间直接互连设计

3.5.1长线结构

3.5.2逻辑块簇间的直接连接

3.6全局时钟网络

3.7小结

第4章逻辑资源和编程电路设计

4.1逻辑块簇

4.1.1逻辑块簇结构设计

4.1.2逻辑块簇内部关键路径模型

4.2可编程IO模块

4.2.1可编程IO模块结构

4.2.2可编程IO模块数目的确定

4.3 FPGA的编程电路结构

4.3.1编程电路结构

4.3.2 SRAM单元结构

4.4小结

第5章FPGA的测试

5.1 FPGA测试内容和测试技术

5.1.1 FPGA测试内容

5.1.2 FPGA测试技术

5.2互连资源测试

5.2.1通用互连的测试方法

5.2.2基于总线的通用互连资源测试

5.3逻辑资源测试

5.3.1单个逻辑块簇的测试内容

5.3.2逻辑块簇阵列的测试

5.4小结

第6章结论

攻读硕士学位期间发表的论文情况

参考文献

致谢