高速FPGA配置结构的设计与研究

论文摘要

随着FPGA在航空航天等复杂电磁环境和强辐射环境中的应用越来越广泛,FPGA正面临着宇宙射线和高能带电粒子产生的各种辐射效应的威胁,其中以SEU辐射效应最为敏感。如何提高FPGA芯片的抗SEU能力已经成为当前FPGA研究的重要方向。其中,抗SEU设计要求FPGA具备更快的检测速度和纠错效率,这对FPGA配置结构的下载和回读速度提出了更高的要求。而且,随着FPGA规模的不断增大,配置位流急剧增大,配置时间的增加也将大大降低系统设计的工作效率。因此,如何缩短FPGA的下载和回读时间已经成为FPGA研究的重要课题。针对上述背景,本文研究设计了一种高速FPGA芯片配置结构,并在复旦大学自主设计的FDP3P13芯片上流片实现。FDP3P13芯片配置结构对单位配置数据字的下载和回读速度更快；支持主动／从动串行、从动并行、JTAG四种配置模式；具备SEU检测功能,支持在芯片正常工作时连续地对配置位流进行回读CRC校验并实时输出SEU检错信息。FDP3P13芯片流片测试结果表明：FDP3P13在每帧规模扩大209%的基础上,帧内单位数据字最快下载时间减少了23.67%；在整体阵列规模扩大758%的情况下,最快能在38.56ms内完成芯片的整体配置。此外,在FDP3P13芯片配置结构基础上,还为FPGA设计了一种与片上处理器进行通信的AMBA高速配置总线。仿真数据表明,AMBA总线配置模式能够对FPGA正确地实现下载和回读,AMBA最高工作频率达到160MHZ。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 工作重点
• 1.3 论文结构
• 第2章 技术背景
• 2.1 FPGA芯片架构分析
• 2.1.1 可编程逻辑单元和可编程互连资源
• 2.1.2 FPGA配置结构
• 2.2 空间辐射效应对FPGA影响
• 2.3 FPGA配置结构改进要求
• 2.4 本章小结
• 第3章 FPGA配置结构分析
• 3.1 早期配置结构分析
• 3.2 当前主流配置结构分析
• 3.3 两种配置结构比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 FDP3P13配置结构的设计与实现
• 4.1 配置结构电路设计
• 4.1.1 配置接口电路
• 4.1.2 总线控制电路
• 4.1.3 下载控制器
• 4.1.4 回读控制器
• 4.1.5 SEU检测电路
• 4.2 FDP3P13的标准配置位流
• 4.3 配置结构电路仿真
• 4.3.1 配置接口电路仿真
• 4.3.2 总线控制电路仿真
• 4.3.3 下载控制器仿真
• 4.3.4 回读控制器仿真
• 4.3.5 SEU检测电路仿真
• 4.4 芯片后端设计与流片后测试
• 4.4.1 FDP3P13配置结构测试
• 4.4.2 SEU检测电路测试
• 4.5 配置结构改进
• 4.5.1 总线控制电路改进
• 4.5.2 帧数据配置改进
• 4.5.3 改进后功能仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 AMBA总线配置接口设计实现
• 5.1 研究背景
• 5.2 AMBA总线简介
• 5.3 AMBA总线配置结构设计
• 5.3.1 AMBA总线端口定义
• 5.3.2 APB桥功能设计
• 5.3.3 APB桥工作原理
• 5.4 AMBA总线配置结构仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 论文中创新点
• 6.3 对后续工作的展望
• 参考文献
• 硕士期间撰写或参与撰写的论文
• 致谢