FPGA评估系统布局布线模块设计

论文摘要

在SOC（片上系统）中嵌入FPGA（可编程逻辑器件）IP核具有极广泛的应用。但如何设计出适用于相关应用领域的FPGA结构，使整个系统工作于最佳状态是系统设计的一大难点。 本文致力于开发出适合于某领域电路的可编程IP核。为此，FPGA评估系统应势而生，目的在于针对某类特定领域电路，找到最合适的FPGA结构。 结构的灵活性，对FPGA评估系统提出了新的挑战。和普通可编程逻辑器件的商业软件系统不同，FPGA评估系统需要对各种规模、结构不同的FPGA芯片结构进行建模处理，处理的对象更加灵活。在处理时，FPGA评估系统必须得到公正的评估结果。因此，FPGA评估系统应该采用与FPGA具体结构无关的算法，并且使评估结构尽可能公正。本文根据通用公正的原则对FPGA评估系统的框架进行设计，并初步实现原型系统。 本文对各种FPGA结构进行抽象建模，对布局布线软件VPR的FPGA结构模型进行扩展，提出一套更完整的FPGA结构描述方法，从而可以灵活地支持规模、结构不同的各种FPGA结构。利用本文开发的通用布局布线模块，用户可以找到对应于一系列电路的最好的布线资源结构。测试表明，对VPR模型的扩展使得软件能更精确地描述商用的FPGA结构。 为了处理层次化FPGA结构，本文在前人划分工作的基础上，针对特定的层次化FPGA模型，提出了一种改进的划分算法。该算法将模拟退火算法与ratio-cut思想结合，确定多层多划分的规模后，在不影响规模的情况下进行多分优化，实现更好的划分结果，从而提高FPGA芯片的利用率，进而优化整个芯片的性能。实验结果证明，划分算法性能优异，能取得较好结果。 同时，本文在规划（Floorplanning）问题的基础上考虑FPGA宏模块布局问题，通过合理的目标函数和处理方法来解决，并提出了一种描述FPGA宏模块内布线资源的方法。结果证明，本文的方法可以较好地处理FPGA宏模块布局布线问题，并能取得令人满意的结果。 此外，本文还开发了一套EDIF编译器。测试结果表明，EDIF编译器运行结果正常。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 可编程逻辑硬件背景知识
• 1.2 SOPC应用及发展
• 1.3 主要研究工作和内容
• 第二章 FPGA评估系统
• 2.1 FPGA评估系统的意义
• 2.2 FPGA评估系统流程设计
• 2.2.1 系统难点
• 2.2.2 评估系统与普通FPGA软件的区别
• 2.2.3 模块实现
• 2.2.4 FPGA评估系统流程设计
• 2.3 系统测试
• 2.4 总结
• 第三章 划分算法
• 3.1 划分模块的意义
• 3.1.1 工业结构
• 3.1.2 现有处理
• 3.2 现有划分算法
• 3.2.1 结构模型
• 3.2.2 二分法
• 3.2.3 多分法
• 3.2.4 基于模块和基于线网的移动模型
• 3.3 划分算法实现
• 3.3.1 二分法
• 3.3.2 多分优化法
• 3.3.3 目标函数
• 3.3.4 算法概述
• 3.4 结果比较
• 3.5 结论
• 第四章 FPGA宏模块布局
• 4.1 宏模块的意义及作用
• 4.2 现有规划方法及比较
• 4.2.1 Sequence Pair
• 4.2.2 O-tree
• *-tree'>4.2.3 B^*-tree
• 4.3 宏模块布局算法
• 4.3.1 问题定义
• 4.3.2 算法流程
• 4.3.3 宏模块内布线资源描述
• 4.3.4 规划目标函数
• 4.3.5 总目标函数
• 4.4 结果及结论
• 第五章 FPGA布局布线模型
• 5.1 建模意义
• 5.2 建模方法
• 5.2.1 布线通道模型
• 5.2.2 逻辑单元模型
• 5.2.3 开关模块模型
• 5.2.4 连通模块模型
• 5.2.5 输入/输出模块模型
• 5.3 可编程IP核建模实例
• 5.4 结果分析和结论
• 5.4.1 测试结果
• 5.4.2 结论
• 第六章 编译器
• 6.1 编译模块的意义
• 6.2 EDIF格式概论
• 6.2.1 网表格式的标准
• 6.2.2 EDIF语法
• 6.3 LEX和YACC简介
• 6.3.1 LEX
• 6.3.2 YACC
• 6.4 功能定义
• 6.5 编译器实现方法
• 6.5.1 编译器流程图
• 6.5.2 分析EDIF词法
• 6.5.3 分析EDIF语法
• 6.5.4 语义处理
• 6.6 功能验证
• 6.6.1 EDIF词法分析的验证
• 6.6.2 对EDIF语义处理验证
• 6.7 结论
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 科研成果
• 致谢