FPGA芯片架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

第1 章 FPGA 架構(gòu)總體設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．1 FPGA 芯片研制流程???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．2 FPGA 架構(gòu)設(shè)計流程???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7
1．3 FPGA 規(guī)模和資源劃分 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
1．4 FPGA 中功能模塊劃分 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20
本章參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 26
第2 章 FPGA 中時鐘網(wǎng)絡(luò) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30
2．1 簡介 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30
2．2 FPGA CDN 建模 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33
2．3 時鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 43
2．4 時鐘網(wǎng)絡(luò)的靈活性 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48
2．5 路由級聯(lián) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 51
2．6 仿真實驗 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 55
2．7 時鐘網(wǎng)絡(luò)熱學建模 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 61
2．8 仿真實驗 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 62
本章參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 66
第3 章 FPGA 中電源/地線網(wǎng)絡(luò)和漏電流 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68
3．1 電源/地線網(wǎng)絡(luò) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68
3．2 IR-DROP 分析與優(yōu)化 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 71
3．3 漏電流組成 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 73
3．4 降低漏電流的方法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 74
3．5 基于VIA 分布的IR-DROP 分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 77
3．6 仿真實驗 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 81
3．7 不均勻測試點的IR-DROP 求解 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 87
3．8 FPGA 電源網(wǎng)絡(luò)IR-DROP 分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 89
本章參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 94
第4 章 FPGA 中可編程邏輯單元 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 98
4．1 基于多路選擇器的邏輯單元 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 98
4．2 基于四輸入LUT 的可編程邏輯單元的設(shè)計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4．3 LUT 的模型與實現(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 103
4．4 LUT 的輸入數(shù)目K 的確定 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 106
4．5 進位邏輯 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 109
4．6 基于查找表結(jié)構(gòu)的FPGA 的不足 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4．7 AIC 結(jié)構(gòu)邏輯簇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 117
4．8 基于AIC 結(jié)構(gòu)FPGA 的邏輯簇 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 120
4．9 面向AIC 的映射工具及結(jié)構(gòu)評估平臺 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
4．10 結(jié)構(gòu)特征匹配的AIC 簇互連優(yōu)化 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
4．11 仿真分析和比較 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 131
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 133
第5 章 FPGA 中可編程I/O 模塊 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 136
5．1 可編程I/O 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 136
5．2 IOE 中的可編程輸入緩沖器設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
5．3 IOE 中的可編程輸出緩沖器設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 144
5．4 可編程I/O 的后端版圖設(shè)計???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 156
5．5 高可靠I/O 模塊的后端版圖與測試 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 166
5．6 可編程I/O 的供電策略 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 172
5．7 全芯片IO 的ESD 技術(shù) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 173
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 179
第6 章 FPGA 中DDR 存儲器接口 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 182
6．1 DDR SDRAM 芯片的工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 182
6．2 FPGA 芯片中DDR 存儲器接口系統(tǒng)設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 184
6．3 DDR 存儲器接口控制器的設(shè)計和驗證 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 191
6．4 延時鎖相技術(shù) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 194
6．5 延時鎖定環(huán)電路的分析與對比 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 196
6．6 數(shù)字延時鎖定環(huán)電路的性能分析與優(yōu)化 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 201
6．7 延時鎖定環(huán)線性模型與穩(wěn)定性分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 205
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 209
第7 章 FPGA 中數(shù)字延時鎖定環(huán) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 213
7．1 實現(xiàn)相移的全數(shù)字延遲鎖定環(huán) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 213
7．2 數(shù)字控制延時鏈 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 215
7．3 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 220
7．4 雙向移位計數(shù)器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 221
7．5 鑒相器與鎖定邏輯 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 222
7．6 延遲鎖定環(huán)的版圖設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 224
7．7 延遲鎖定環(huán)環(huán)路的仿真 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 224
7．8 芯片的物理實現(xiàn)與測試平臺 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 225
7．9 DDR 接口的數(shù)據(jù)通路的測試驗證 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 227
7．10 數(shù)字延時鎖定環(huán)的測試 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 229
7．11 數(shù)字占空比矯正電路的測試 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 232
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 234
第8 章 FPGA 中連線連接盒 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 236
8．1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 236
8．2 問題分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 237
8．3 利用模擬退火算法優(yōu)化CB 拓撲結(jié)構(gòu) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 241
8．4 實驗及結(jié)果分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 246
8．5 連線開關(guān)盒的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計方法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 251
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 259
第9 章 FPGA 中互連線段長度分布 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 261
9．1 所提優(yōu)化方法的基本思路 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 261
9．2 以面積延時積最小為目標的優(yōu)化 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 265
9．3 針對所提優(yōu)化方法的討論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 268
9．4 設(shè)計實驗 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 269
9．5 FPGA 芯片的設(shè)計實現(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 270
9．6 芯片的測試準備 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 272
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 275
第10 章 FPGA 中的配置模塊 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 277
10．1 配置系統(tǒng)的基本組成及特點 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 277
10．2 配置系統(tǒng)的功能需求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 279
10．3 配置系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 281
10．4 配置碼流協(xié)議的結(jié)構(gòu)及其對配置系統(tǒng)的影響 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 286
10．5 配置系統(tǒng)總體框架 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 292
10．6 配置碼流協(xié)議的設(shè)計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 297
10．7 配置系統(tǒng)的電路設(shè)計與實現(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 300
10．8 配置系統(tǒng)采用的驗證工具與方法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 305
10．9 配置系統(tǒng)的驗證方案與功能點的抽取 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 310
10．10 配置系統(tǒng)功能驗證平臺的設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 312
10．11 配置系統(tǒng)驗證結(jié)果 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 319
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 324