论文题目: 基于SRAM技术的现场可编程门阵列器件设计技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 微电子学与固体电子学
作者: 高海霞
导师: 杨银堂
关键词: 现场可编程门阵列,查找表,布线结构,互连长度估计,通道宽度预测,开关块,蒙特卡罗,芯片,测试
文献来源: 西安电子科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 现场可编程门阵列(FPGA)诞生二十年以来，已经成为数字电路最常用的实现载体。本文旨在研究开发基于SRAM技术的FPGA结构，并根据研究获取的结构参数设计FPGA器件样品。主要研究工作和结果如下： 1、通过研究商用FPGA的特性制定了FPGA总体结构：逻辑单元采用基于LUT的单元，布线结构为对称阵列结构。基于LUT的逻辑单元有相当简单的布线需求，对于逻辑实现是最为有效的。 2、研究了FPGA逻辑单元的结构。基于Rent定律，预测了实现给定逻辑所需逻辑块数目随LUT输入数K的变化，在此基础上建立了基于LUT的FPGA面积模型。通过比较映射到不同K-LUTFPGA的任意N到1逻辑的延迟确定了FPGA性能随K的变化情况。通过CAD实验研究了四周型和上下型两种逻辑块管脚分布对布线面积的影响，确定了每个逻辑管脚应当出现的物理管脚数。设计了基于4-LUT的四周型管脚分布逻辑单元，且每个输入(输出)逻辑管脚的物理管脚数为1(2)。 3、研究了面积驱动的FPGA全局布线结构。研究分析了通道宽度的方向偏差和区域偏差，得出应当使得所有通道有相同宽度的结论。研究了与FPGA通道设计密切相关的互连线长估计技术。分析了Donath技术和改进Donath技术预测精度低的原因，提出了一种考虑外部连接的改进线长估计算法，该算法使预测误差降低了29％和5％。建立了基于总导线长度的通道宽度预测模型，与Gamal模型相比较，当不考虑和考虑外部连接时，新模型的平均误差降低了12.5％和6.75％。应用通道宽度预测模型指导了器件样品的通道宽度设计。 4、构建了隔离岛式FPGA局部布线结构。通过分析连接块中不同类型开关对面积和延时特性的影响，得出输入连接块使用多路选择器开关、输出连接块使用点到点开关的结论。使用离散数学知识分析了三种常用的开关块拓扑的布线灵活性，研究评估了三种开关块拓扑对FPGA面积和延时的影响，得出FPGA器件样品采用Wilton开关块的有关结论。开发了一种基于蒙特卡罗技术的FPGA局部布线结构研究新方法。 5、完成了FPGA器件样品的芯片设计和流片。开发了包含短线、长线、硬线的可编程连线资源，设计出FPGA芯片的全局时钟线网、可编程IO单元、编程结构，完成了FPGA样品的版图设计和流片。 6、研究了FPGA器件的测试方法。测试FPGA器件不仅包含测试向量的开发、应用，还包含测试电路的产生、配置。我们采用划分测试策略研究了FPGA器件的缺陷测试方法，构造了基于与门和或门级联电路的逻辑阵列测试结构，产生了基于SRAM技术的现场可编程门阵列器件设计技术研究逻辑单元中多路选择器和LUT的测试电路和测试向量。给出布线资源的三种检测测试配置结构和七种诊断测试配置结构，并为每种配置结构开发了测试向量。研究了FPGA互连阻性短路的测试方法，以及测试环境对阻性短路测试的影响。以一位全加器为例，研究了器件的功能测试方法。关键词:现场可编程门阵列;查找表;布线结构;互连长度估计 通道宽度预测;开关块;蒙特卡罗;芯片;测试
论文目录:
第一章 绪论
1．1 FPGA研究的意义及现状
1．1．1 快速增长的FPGA市场需求
1．1．2 FPGA技术的发展现状及趋势
1．2 编程技术
1．2．1 反熔丝编程技术
1．2．2 SRAM编程技术
1．2．3 EPROM和E~2PROM编程技术
1．2．4 FLASH编程技术
1．2．5 编程技术比较
1．3 本论文的研究内容和编排
第二章 FPGA器件的总体结构研究
2．1 FPGA总体结构
2．1．1 可编程逻辑单元结构
2．1．2 可编程布线结构
2．1．3 本文采用的FPGA总体结构
2．2 FPGA结构研究的CAD实验方法
第三章 FPGA的逻辑单元设计
3．1 LUT尺寸对FPGA面积和延迟的影响
3．1．1 LUT尺寸对面积的影响
3．1．2 LUT尺寸对性能的影响
3．1．3 本文采用的逻辑块结构
3．2 逻辑块管脚分布
3．2．1 实验方法
3．2．2 实验结果
3．2．3 每个逻辑管脚对应的物理管脚数
3．2．4 本文采用的逻辑块管脚分布
3．3 本章小结
第四章 面积驱动的FPGA全局布线结构研究
4．1 通道宽度的方向偏差和区域偏差
4．1．1 方向偏差
4．1．2 区域偏差
4．2 互连长度估计技术
4．2．1 Rent定律
4．2．2 Donath平均互连长度估计技术
4．2．3 Donath模型高估平均互连长度的原因及修正
4．2．4 考虑外部连接的互连长度估计模型
4．3 通道宽度设计
4．3．1 Gamal模型
4．3．2 基于总导线长度的通道宽度预测模型
4．3．3 本文FPGA器件中通道宽度的设计
4．4 本章小结
第五章 FPGA局部布线结构研究
5．1 连接块的设计
5．2 开关块的设计
5．2．1 三种不同类型的开关块
5．2．2 单一开关块的评估
5．2．3 CAD评估
5．3 蒙特卡罗方法
5．3．1 CAD方法
5．3．2 蒙特卡罗法
5．3．3 应用实例：开关块拓扑分析
5．4 本章小结
第六章 FPGA器件的物理设计
6．1 布线资源
6．1．1 可编程布线资源
6．1．2 全局时钟分布线网
6．2 可编程IO单元
6．2．1 可编程IO单元结构
6．2．2 单位逻辑块的可编程IO数目
6．3 编程结构
6．3．1 数据的写入和读出
6．3．2 SRAM单元结构
6．4 FPGA器件版图和芯片
6．5 本章小结
第七章 FPGA器件测试方法研究
7．1 逻辑单元阵列中缺陷的测试
7．1．1 多路选择器的测试
7．1．2 LUT的测试
7．2 布线资源中缺陷的测试
7．2．1 检测测试
7．2．2 诊断测试
7．2．3 FPGA互连中阻性短路的测试
7．3 功能测试
7．4 本章小结
第八章 结束语
致谢
参考文献
作者在攻读博士学位期间的研究成果
附录A
附录B
发布时间: 2005-04-26
参考文献
- [1].针对FPGA复杂可编程逻辑单元的快速布尔匹配方法研究[D]. 章淳.复旦大学2011
- [2].基于标准逻辑单元的全光可编程逻辑阵列[D]. 雷蕾.华中科技大学2014
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- [6].基于元构件的FPGA硬件构件设计技术研究[D]. 李鹏.解放军信息工程大学2011
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