FPGA芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

第1 章 FPGA 架構(gòu)總體設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．1 FPGA 芯片研制流程???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．2 FPGA 架構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 26
第2 章 FPGA 中時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30
2．1 簡介 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30
2．2 FPGA CDN 建模 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33
2．3 時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 43
2．4 時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的靈活性 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48
2．5 路由級(jí)聯(lián) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 51
2．6 仿真實(shí)驗(yàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 55
2．7 時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)熱學(xué)建模 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 61
2．8 仿真實(shí)驗(yàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 62
本章參考文獻(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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(shí)驗(yàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 81
3．7 不均勻測(cè)試點(diǎn)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(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4．3 LUT 的模型與實(shí)現(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 103
4．4 LUT 的輸入數(shù)目K 的確定 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 106
4．5 進(jìn)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(píng)估平臺(tái) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
5．3 IOE 中的可編程輸出緩沖器設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 144
5．4 可編程I/O 的后端版圖設(shè)計(jì)???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 156
5．5 高可靠I/O 模塊的后端版圖與測(cè)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(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 179
第6 章 FPGA 中DDR 存儲(chǔ)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(chǔ)器接口系統(tǒng)設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 184
6．3 DDR 存儲(chǔ)器接口控制器的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 191
6．4 延時(shí)鎖相技術(shù) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 194
6．5 延時(shí)鎖定環(huán)電路的分析與對(duì)比 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 196
6．6 數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)電路的性能分析與優(yōu)化 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 201
6．7 延時(shí)鎖定環(huán)線性模型與穩(wěn)定性分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 205
本章參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 209
第7 章 FPGA 中數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 213
7．1 實(shí)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(shí)鏈 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 215
7．3 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 220
7．4 雙向移位計(jì)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(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 224
7．7 延遲鎖定環(huán)環(huán)路的仿真 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 224
7．8 芯片的物理實(shí)現(xiàn)與測(cè)試平臺(tái) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 225
7．9 DDR 接口的數(shù)據(jù)通路的測(cè)試驗(yàn)證 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 227
7．10 數(shù)字延時(shí)鎖定環(huán)的測(cè)試 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 229
7．11 數(shù)字占空比矯正電路的測(cè)試 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 232
本章參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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?fù)浣Y(jié)構(gòu) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 241
8．4 實(shí)驗(yàn)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(jì)方法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 251
本章參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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(shí)積最小為目標(biāo)的優(yōu)化 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 265
9．3 針對(duì)所提優(yōu)化方法的討論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 268
9．4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 269
9．5 FPGA 芯片的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 270
9．6 芯片的測(cè)試準(zhǔn)備 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 272
本章參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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(diǎn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 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(duì)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(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 297
10．7 配置系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 300
10．8 配置系統(tǒng)采用的驗(yàn)證工具與方法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 305
10．9 配置系統(tǒng)的驗(yàn)證方案與功能點(diǎn)的抽取 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 310
10．10 配置系統(tǒng)功能驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 312
10．11 配置系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 319
本章參考文獻(xiàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 324