多FPGA系统的关键问题及应用研究

【摘要】：多FPGA系统在系统结构中包含多片FPGA,且各片FPGA之间的互连遵从一定的拓扑结构。数字系统采用多片FPGA来构造的原因主要有:系统太大,用一片FPGA无法实现;不断扩展的电子应用领域,如3G LTE无线部署、由FPGA构造的超级计算机(如在爱丁堡大学制造的名为Maxwell的计算机)等;作为专用集成电路设计的样机;某些特殊领域的应用,如在数字阵列雷达接收机中的应用等。 研究多FPGA系统的关键技术、构建多FPGA系统、探讨多FPGA系统的具体应用均具有重要意义。本文的研究工作体现在以下几个方面: ①在比较全面总结文献资料的基础上,阐述多FPGA系统的概念、多FPGA系统的应用领域、多FPGA系统的应用研究现状、多FPGA系统的开发流程、多FPGA系统研究和开发的必要性。 ②研究多FPGA系统的系统结构,包括多FPGA系统的互连结构和多FPGA系统的的配置结构。分析几种常见的多FPGA系统的互连结构,指出其结构特点;对于多FPGA系统的配置结构,主要分为分散配置结构和集中配置结构两种基本类型。当前,由于大容量的FPGA多采用球栅阵列(BGA:Ball Grid Array)等高密度封装技术,在有效减少封装面积、提高可靠性和降低芯片成本的同时,还可为用户提供更多的引脚,这在一定程度上缓解了FPGA管脚资源不足的问题,同时,由于广泛采用多层板技术,使得相距较远的FPGA之间的互连可以通过在不同的板层布线来较为容易的实现,系统构建时其互连结构的设计应基于这些特点。在系统配置结构的选择上,由于使用单配置芯片的集中配置结构在硬件成本、PCB实现、配置管理、实验调试等方面比使用多个配置芯片的分散结构更具优势,应成为系统设计的首选。 ③系统研究多FPGA系统的逻辑分割算法。研究几种典型的分割算法:KL算法、FM算法、神经网络算法、遗传算法、集合覆盖算法以及基于虚拟连接技术的时分复用算法。针对电路结构中若存在反馈,当反馈总时延大于系统容忍值时,将会出现逻辑错误,提出一种通过改进传统遗传算法的适应性函数,以解决这一问题的方法。 ④多FPGA系统的配置和时钟同步方案研究在第四章进行,以一多FPGA系统的实验系统开发为例,提出一种小规模多FPGA系统的配置方案,实现一种基于DLL的多FPGA系统时钟同步方法。 ⑤研究基于脉冲积累以改善脉冲雷达检测性能的方法,提出一种基于FPGA的数字化实现方案,并进行工程实现。 ⑥分析多FPGA系统用于数字阵列雷达接收机设计的可行性和技术优势,并就其具体实现进行探讨,设计一套中频接收支路为20路的数字阵列雷达接收机。