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《西安电子科技大学》 2005年
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基于SRAM技术的现场可编程门阵列器件设计技术研究

高海霞  
【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
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TN702

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