可编程逻辑器件（cpld_fpga）的架构研究与实现

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1、江南大学硕士学位论文局布线，输入输出等结构做了很多研究。这些研究的过程和结论对未来可编程器件的发展产生了重要的影响。国外的发展由于市场本身的迫切需要，使得可编程逻辑器件的研究和发展都非常迅猛，无论是它芯片本身的结构设计，还是它的应用设计，都达到了一个非常崭新的高度；在芯片的设计方面，主要由国外的的几大公司所垄断，基本上我们所用的开发平台基本上都是根据这几大公司所提供的器件。目前国内对于可编程器件的研究多处于应用设计阶段，而对于它们具体的结构，映射工艺，资源互连等方面的涉及比较少，正是由于目前国内对于这些方面的研究不够深入和全面，使得国内可编程器件的研发生产多处于仿制阶段。1．3

2、研究的目的和任务本课题所要完成的任务是对可编程器件(CPLD／FPGA)结构中的一些具体关键参数进行分析与研究，以便得出一些最佳值，如在分析FPGA的资源互连时，具体的线宽、线距、线长对芯片的面积、延时、功耗有着怎样的影响，并基于具体的工艺库分析它们的最优值：对芯片的外围电路灵敏放大器进行合适的优化和改进，使得在没有功耗增加的基础上放大器的性能得到了提升。最后，在两种加法器的FPGA实现时，通过AlteraQuartusIl2．2仿真软件分析它们的性能、面积和功耗并进行比较。由于本课题只是初步尝试，仅仅是对一些具体可编程器件的结构方面做出一些研究，在分析的过程中对很多情况进行了

3、简化和假设，而且根据模型和工艺的不同，因此得出的结论可能存在一些偏差。1．4论文的结构安排论文的结构安排如下：第1章简要介绍了本研究课题的学术背景、国内外研究现状、CPLD／FPGA发展中存在的问题及研究的目的任务，最后介绍了论文的结构安排。第2章简要叙述了几种编程逻辑管的编程原理和CAD设计流程，并分析了CPLD和FPGA的异同。第3章根据不同的编程技术对三种不同的基本逻辑模块进行分析，重点讨论各逻辑模块的一些关键参数，并且分析了Altera和x订inx公司系列产品的相关逻辑结构。第4章对PLD的互连资源进行了讨论，着重阐述FPGA的互连资源，对影响布局布线的一些因素进行了研

4、究。第5章对在系统可编程原理进行阐述，结合具体的产品对数据的读写过程进行分析和仿真：而且对阵列式灵敏放大器的结构进行优化和改进，在功耗没有增加的情况下使得灵敏放大器的性能得到了提升。第6章两种加法器的FPGA实现，并通过A1teraOuartusIl2．2仿真软件分析它们的性能、面积和功耗并进行比较。最后，对并对本文的工作进行了总结并对未来的工作进行了展望。2第2章可编程逻辑器件的相关介绍2．1可编程逻辑器件的编程元件根据擦除过程的不同，PLD使用的内部编程元件主要有如下三种类型：(1)一次性编程的熔丝(Fuse)或反熔丝(Antifuse)开关；(2)基于浮栅技术的存储器。包

5、括紫外线擦除和电擦除的EPROM、EEPROM与FlashMemory(闪速存储器，简称为闪存)；(3)允许无限次编程使用的静态存储器(SRAM)：在这三种类型的编程元件中，前两种为非易失性的元件，编程后即使系统断电，它们存储的编程信息也不会丢失，而且EEPROM和闪存可多次反复编程写入，而静态存储器(SRAM)属于易失性的编程元件，掉电后存储的配置数据将立即消失，它也可多次反复编程使用。2．1．1熔丝和反熔丝开关元件每个编程单元由一个三极管和接在其发射极的熔丝组成。图2．1表示了熔丝编程电路的结构图。图2．1熔丝编程电路的结构图上图中三极管的基极与集电极相当于接在字线与位线之

6、间的二极管。编程时，如果需要在某处存放信息“0”，则只要按地址提供一定的脉冲电流，将该处熔丝烧断即可，而未熔断熔丝的地方则表示存放了信息“1”。采用熔丝编程工艺的主要缺点是熔丝烧断后不能恢复，因此只能一次性编程，并很难测试其可靠性，故容易造成整个器件逻辑功能的不正确。为了保证熔丝熔化时产生的金属物质不影响器件的其他部分，还需要为熔丝留出较大的保护空间，因此熔丝占用的芯片面积较大，影响了PLD器件集成度的提高。而反熔丝开关正好克服了这些缺点，它通过击穿介质来达到连通线路的目的。在未编程时处于开路状态，当加上编程电压后，反熔丝就会由高阻抗变为低阻抗，导致两个极间的连通，并且编程电压

7、撤除后开关也一直处于导通状态，由于在介质击穿后不可恢复，故反熔丝也是非易失性的一次性可编程元件；由于反熔丝元件占用硅片的面积小，所以它的集成度很高；它还具有较高的抗辐射能力及很好的工作稳定性，一般多用在工作条件要求较高的军品系列器件上。江南大学硕士学位论文2．1．2紫外线擦除、电改写的EPROM(UVEPROM)EPROM是一种用紫外线擦除存储信息、用电信号来实现数据编程写入的存储元件。目前人们已使用叠栅注入MOS管(SIMOS管)来制作EPROM的存储单元““⋯。采用叠栅注入MOS管(SI