大规模现场可编程逻辑器

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1、第2章大规模现场可编程逻辑器件2.1大规模现场可编程逻辑器件的基本分类2.2基于SRAM编程的现场可编程逻辑器件2.3基于EPROM/E2PROM/FlashMemory的现场可编程逻辑器件2.4基于反熔丝结构的现场可编程逻辑器件2.1大规模现场可编程逻辑器件的基本分类1.按生产公司：1)Xilinx公司2)Altera公司3)Actel公司4)Lattice公司2.按元胞结构：1)细粒度2)中粒度3)粗粒度3.按功能特性：1)全数字可编程逻辑器件2)系统即可编程逻辑器件3)模拟/混合信号可编程逻辑器件4.按编程原理：1)SRAMFPGA

2、2)EPROM/E2PROM/FLASHCPLD3)反熔丝FPGA2.2基于SRAM编程的现场可编程逻辑器件2.2.1SRAMFPGA的基本结构与工作原理1.基本的SRAMFPGA编程原理即通过芯片内阵列分布的SRAM的不同的加电配置，来决定各部分的逻辑定义。优点：①可以重复编程；②芯片价格低；③不需要专门的编程器。缺点：①断电，SRAM的数据就会丢失，故需要外附一个PROM或EPROM，增加使用成本和体积。②采用大量的传输门开关，影响了芯片信号传递速度，限制了系统的使用频率。图2-3FPGA结构原理图2.基本的SRAMFPGA的整体结构

3、主要3部分：可配置逻辑块CLB(ConfigurableLogicBlock)、可编程输入／输出模块IOB(Input/OutputBlock)、可编程内部连线PI(ProgrammableInterconnect)。图2-4简化的FPGACLB结构a.CLB的结构与原理包括3个查找表（LUT），两个触发器，两组信号多路选择器。图2-7基本FPGAIOB的简化功能框图b.IOB的结构与原理用户可配置的输入输出块（IOB）为芯片外部封装引脚和内部逻辑连接提供接口。每个IOB控制一个封装引脚，可配置成输入口、输出口或是双向信号口。图2-7是一

4、个Spartan-XL系列FPGAIOB的简化功能图。图2-9基本的FPGACLB布线通道c.PI的结构原理FPGA的布线通道主要包括CLB布线通道、IOB布线通道、全局网络和缓冲器。可编程开关矩阵（PSM）的开关由晶体管完成，每个水平连线和垂直连线的交汇处有6个晶体管，用于实现信号的连接。(2)IOB布线通道IOB布线通道形成一个环，围绕在CLB阵列的四周，用于连接I/O口与CLB。Spartan系列FPGA还有附加的绕IOB的布线通道，称为Versa环。其中包括8条双长线和4条长线。(3)全局网络和缓冲器该系列FPGA中有精细的全局网

5、络。这些网络用于对时钟信号和其他高扇出的控制信号进行布线，使信号失真最小。缓冲器使信号延迟最短，偏移最小，增强布线的灵活性。2.2.2典型的SRAMFPGA产品1.XilinxSpartan-Ⅱ系列FPGA1）概述Spartan-Ⅱ系列FPGA是Xilinx公司生产的代替ASIC的第二代产品。该系列FPGA有多达5292个逻辑元胞及20×105个系统门，采用基于VirtexTM结构的流水线新结构，片内含有嵌入式RAM，并采用先进的0.22/0.18μm半导体工艺，6层板结构，可实现不限量的可重复编程。Spartan-Ⅱ系列FPGA具有系统

6、级特性。该系列FPGA芯片采用低压布线结构;片内含有丰富的寄存器/锁存器、时钟使能信号、同步、异步置位/复位信号;为增强时钟控制，提供了4个主要的全局低偏移时钟分配网络，以及24个次全局网络；有两种类型的片上随机存取内存（SelectRAMTM）：块状RAM和分布式RAM。为满足高速运算设计的进位逻辑提供精确的乘法器，以适应各种PCI的应用。2）结构原理（1）总体结构描述Spartan-Ⅱ系列FPGA的基本结构主要包括5个可配置部分：①可配置逻辑块（CLB），用于实现大部分逻辑功能；②可编程的输入输出块（IOB），提供封装引脚与内部逻辑之

7、间的连接接口；③丰富的多层互连结构；④片上随机存取内存；⑤DLL时钟控制块。图2-10Spartan-Ⅱ系列FPGA的基本结构原理框图图2-11Spartan-Ⅱ系列FPGACLB一个单元的原理框图（2）可配置逻辑块（CLB）构成CLB的基本结构是逻辑元胞（LC）。一个LC包括一个4输入的函数发生器、进位逻辑和一个存储部分。图2-12Spartan-Ⅱ系列FPGA的IOB结构（3）可编程输入/输出块（IOB）图2-13Spartan-Ⅱ系列FPGA的I/O组（4）布线通道Spartan-Ⅱ系列FPGA的布线通道主要包括可编程的布线矩阵、局

8、域布线、精细布线、全局布线以及时钟布线网络和I/O布线等丰富的布线资源。①可编程的布线矩阵这是一条最长的延迟线，它给出了设计最坏情况下的速度门限。②局域布线图2-14给出了Spartan-Ⅱ系