0.18um FPGA可编程逻辑单元设计与实现

论文摘要

FPGA不仅能够降低数字系统的开发风险与开发成本、缩短上市时间,而且通过动态编程、远程在线重构等技术可以有效地降低系统的维护升级成本,因此在通讯、多媒体、工业控制、数值计算等领域得到了广泛的应用。可编程逻辑单元是整个硬件系统的核心,正是靠它来实现所有的组合逻辑函数和绝大多数数据锁存功能,因此可编程逻辑单元的设计是FPGA设计的重中之重。本文围绕基于LUT的FPGA可编程逻辑单元的研究,提出了分布式RAM、移位寄存器功能的设计思路与具体实现方案;将二者的时序控制单元合并成一个以减小面积;对进位链逻辑进行了扩展,包括利于实现乘法功能、可实现多个表达式相与(或)的功能以及便于实现计数器功能;设计了时序存储单元数据的抓捕、写回电路以支持可重配置功能;阐述了其中几个重要单元如七管SRAM单元、电平恢复单元等电路的设计思路、具体实现以及建模与仿真,并对整个可编程逻辑单元的不同功能进行了功能与性能上的仿真。本文自主开发的FPGA芯片(代号FDP1000K)采用SMIC 0.18um Logic1P6M Salicide 1.8V/3.3V工艺,共包含1200个可编程逻辑片、240个用户可用I/O以及10块4K Bits块状双口RAM。通过全定制电路设计方法对FDP1000K芯片进行版图实现,并进而流片。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 FPGA概述
• 1.2 工作内容
• 1.3 论文组织
• 第2章 技术背景
• 2.1 FPGA总体结构
• 2.2 FPGA内部单元结构
• 2.2.1 可编程控制点结构
• 2.2.2 可编程逻辑单元结构
• 2.2.3 互连资源结构
• 2.3 FPGA软件设计流程
• 第3章 可编程逻辑单元结构与功能
• 3.1 FDP1000K可编程逻辑单元的架构
• 3.2 FDP1000K中Slice以及CLB的功能介绍
• 3.2.1 组合逻辑功能
• 3.2.1.1 两个四输入任意逻辑
• 3.2.1.2 五输入任意逻辑
• 3.2.1.3 部分九输入逻辑
• 3.2.1.4 四选一MUX
• 3.2.2 加法、乘法和进位链逻辑功能
• 3.2.3 时序逻辑功能
• 3.2.3.1 分布式RAM的设计
• 3.2.3.2 移位寄存器的电路设计
• 3.2.3.3 总的时序控制电路设计
• 第4章 SLICE单元电路设计以及仿真
• 4.1 单元电路设计
• 4.1.1 电平恢复电路
• 4.1.2 七管编程点单元的设计
• 4.1.3 时序存储单元的设计
• 4.1.4 抓捕、写回电路设计
• 4.2 SLICE性能、功能仿真
• 4.2.1 SLICE的时延参数仿真
• 4.2.2 SLICE功能仿真
• 第5章 FDP1000K其他硬件模块简介
• 5.1 互连资源及结构
• 5.2 可编程输入输出块（IOB）
• 5.3 JTAG测试模块
• 5.4 编程下载与回读模块
• 5.6 时钟网络
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附图 FDP1000K芯片版图
• 致谢