五万系统门级非易失性FPGA设计

论文摘要

非易失性FPGA是新兴的以非易失性存储作为其基本存储单元的FPGA。与传统基于SRAM的FPGA不同，它的最大特点是系统掉电配置信息不消失，同时，带给使用者更多丰富的非易失特性的相关功能。本课题以此出发，开发一款系统门为五万门规模的非易失性FPGA芯片。本课题通过借鉴华微公司已有硅验证、基于SRAM架构的FPGA，重新设计芯片架构，进一步优化设计基本模块，在芯片中集成嵌入式FLASH IP，通过研究FPGA配置规律，设计与所嵌入的FLASH匹配的读、写、擦时序控制电路等相关模块，以实现单芯片非易失性FPGA的设计。通过阅读大量相关资料与专利，并借助以往项目经验为基础，对本课题做了深入的研究，并完成了相关研究和设计：多种非易失性FPGA架构分析；非易失编程技术研究；系统门为五万门的非易失性FPGA的架构设计；主要组成模块的设计与优化；全芯片的仿真验证。本人在课题项目中，主要负责项目管理，并参与架构的规划设计、芯片内部控制器的设计，以及顶层主要仿真验证。本课题芯片采用0.18μm内嵌FLASH IP的CMOS工艺制程，截止论文撰写阶段，本课题所设计芯片已流片，测试结果基本达到了预期的设计，性能参数有待进一步提高。通过本课题的研究与后期成果测试，成功的证明了所设计的非易失性FPGA的架构思想，验证了在此架构下小规模非易失性FPGA的可行性，进而推广将中小规模基于SRAM的FPGA移植成单片非易失性FPGA提供了有效的设计方法，具有较大的商业价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 非易失性 FPGA 发展概况及现状
• 1.1.1 非易失性 FPGA 产生与发展
• 1.1.2 非易失性 FPGA 国内、外现状
• 1.2 非易失性 FPGA 市场价值
• 1.2.1 小尺寸应用
• 1.2.2 要求快速获得逻辑的应用
• 1.2.3 要求设计安全性的应用
• 1.2.4 非易失存储应用
• 1.2.5 现场更新
• 第二章 非易失性 FPGA 存储单元技术
• 2.1 熔丝编程技术
• 2.2 反熔丝编程技术
• 2.3 掩膜编程技术
• 2.4 PROM 编程技术
• 2.5 EPROM 编程技术
• 2.6 EEPROM 编程技术
• 2.7 FLASH 编程技术
• 第三章 非易失性 FPGA 架构设计
• 3.1 非易失性 FPGA 芯片架构
• 3.2 非易失性 FPGA 芯片电源规划
• 3.3 非易失性 FPGA 芯片布局
• 第四章 非易失性 FPGA 模块设计
• 4.1 VPM FPGA 设计
• 4.1.1 CLE 设计
• 4.1.2 IOE 设计
• 4.2 芯片控制器 PROCESSOR 模块设计
• 4.2.1 PROCESSOR 模块设计
• 4.2.2 PROCESSOR 模块的指令集
• 4.2.3 配置数据控制器设计
• 4.3 嵌入式 FLASH IP 的选取
• 第五章 非易失性 FPGA 芯片仿真验证
• 5.1 模块级功能验证
• 5.2 芯片级功能验证
• 5.2.1 芯片级功能验证仿真方案
• 5.2.2 芯片级功能验证仿真结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果