基于lut的fpga工艺映射优化

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1、第一章绪论1第一章绪论1.1研究背景最早的可编程逻辑器件出现在20世纪70年代初，主要是可编程只读存储器（PROM）和可编程逻辑阵列（PLA）。80年代初期，美国Lattice公司推出了一种新型的PLD器件，称为通用阵列逻辑（GAL）。现在一般把高密度的可编程逻辑器件称为CPLD（ComplexProgrammableLogicDevices）。80年代中期，美国Xilinx公司首先推出了现场可编程门阵列器件（FPGA），它是在PLA和GAL的基础上进一步发展的产物。随着集成电路的深亚微米制造技术和设计

2、技术的迅速发展，集成电路进入了系统级（SOC）时代。Xilinx公司推出的百万门Virtex系列的FPGA，为解决系统级设计问题提供了新的FPGA平台。专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuits）是指专门为某一应用领域或专门用户需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求，速度快、体积小、重量轻，但是设计制造周期长，一次性投入成本高。尤其近年来主流工艺转向90/65/40nm后，一次流片成本都在数十万美元以上，这样流片风险很大。此外

3、，它是不可编程的，用户能够改变的功能有限。FPGA芯片由于它的可编程特性，用户可以根据特定的应用对电路结构进行定制，因此近年来得到了广泛的应用。目前市场上90%以上的芯片是由Xilinx、Altera和Actel等公司生产的，各个公司在推出各自芯片的同时，也会推出其设计支持软件。国内厂商采用的FPGA芯片基本上依赖国外进口，而且器件型号和封装类型都受到很多限制。据统计，我国每年购买FPGA芯片和相应支持软件的费用超过几千万美元，这给我国带来了巨大的成本压力。因此设计研发FPGA芯片及支持软件对中国的芯片

4、市场有着重要的意义。1.2国内外研究现状目前，国外FPGA的设计技术和加工工艺成熟，产品门类齐全，可以提供上百个系列品种，芯片集成度已达到上百万门，并广泛应用于通信、航天、航空、导航、遥感、遥测、程控交换机等军、民用领域。美国Xilinx、Altera、Lattice和Actel等公司垄断了全球可编程逻辑器件市场，如图1.1所示。它们的技术经验经2基于LUT的FPGA工艺映射优化过近二十年的积累，实力雄厚，器件尺寸达到90nm，规模达到千万门级，加工工艺先进，且在宇航和军用电子元器件方面发展迅速。ALT

5、ERA公司的主要产品包括MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K和Stratix等，其开发工具MAX+PLUSII是较成功的PLD开发平台。Xilinx公司主要产品包括XC9500/4000、Coolrunner（XPLA3）、Spartan和Vertex等系列，其最大的Vertex-IIPro器件已达到800万门，开发工具有Foundation和ISE。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的，它们共同决定了PLD技术的发展方向。而国内

6、的芯片发展基本上处于一穷二白的阶段，没有自主产权的核心工艺技术。今年我国3G网络的建设风风火火，设备商都采用了FPGA设计，而我们因为缺少自己的FPGA芯片，以至于这一年Xilinx在通讯领域的收获是最大的，所以研发我国自主的FPGA芯片已经刻不容缓[26]。图1.12007年全球可编程芯片市场的分布使用FPGA芯片必须要有支持FPGA开发的EDA软件，开发EDA软件一般包括电路输入、功能仿真、逻辑综合、工艺映射、布局布线、时序仿真和编程下载等步骤。在学术界，FPGA支持软件中的逻辑综合和工艺映射阶段的

7、理论研究以美国加州大学伯克利分校最为出色，该校提出了用AIG数据结构[1]表示电路，并在其开发的ABC综合工具[27]中实现了该数据结构，取得了前所未有的成功。此外伯克利开发的另一款综合优化SIS工具[30]，采用BDD数据结构[29]表示电路，至今被学术界广泛使用。该分校开发的综合优化工具包括SIS、MVSIS[31]、ABC和ESPRESSO[32]，均在业界影响深远。而集成布局布线阶段理论研究的工具以加拿大多伦多大学开发的VPR[28]最为突出，该工具目前被广泛应用于商业软件中。综合优化是把一个复

8、杂电路等价转化成一个功能相同的简化电路的过程，它主要包含逻辑综合和工艺映射。工艺映射作为综合优化的重要组成部分，也是FPGA支持软件工具中最为关键的部分，其优化结果对综合后下一阶段的布局布线第一章绪论3等步骤有着决定性的作用，进而影响最终电路芯片的性能和成本。在国外，研究机构的技术水平远高于国内，已形成了以面积优化、时间延迟优化、功率优化以及面积和延迟同时优化为目标的一系列研究成果。国内也有少数的研究成果，一般是在国外现有研究基础上稍做改进