反熔丝FPGA芯片的布线资源规划与设计实现

作     者：吴方明 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈万军;袁思彤

授予年度：2017年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 

主      题：反熔丝 FPGA 布线资源 布线设计 可编程 

摘      要：现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)是一种可编程逻辑器件(PLD,Programmable Logic Device),具有用户现场可编程、高集成度、高可靠性等优点。经过三十多年的高速发展,FPGA芯片从冷门器件逐步发展为成为最为重要的可编程器件类型,在计算机硬件、汽车电子、物联网等诸多领域有广泛的应用。反熔丝FPGA是FPGA芯片中独特的一种,以反熔丝为基本编程结构,是一次性可编程器件。由于反熔丝编程后状态不可翻转,具有很强的抗辐照能力,因此反熔丝FPGA特备适用于航天航空等领域。我国反熔丝FPGA产业薄弱,很多关键性的技术问题有待研究。布线资源是反熔丝FPGA的重要组成部分,是实现芯片内部结构互联的基础,对反熔丝芯片的编程速度和工作性能有很大影响。基于上述背景,本文针对反熔丝FPGA的布线资源做了大量的研究,研究内容主要有以下几个方面。首先研究反熔丝FPGA的基本原理,结合制造工艺,将布线资源划分为水平布线和垂直布线两种,进一步组合成为水平通道和垂直通道,最后使用布线通道构建布线资源的架构。不同的电路子模块对布线的要求不同,将布线资源划分为多种类型更能满足电路设计需求。据此,布线资源被划分为五种,分别是垂直通道长线、水平通道长线、水平布线、逻辑模块输入布线和逻辑模块输出布线。除了水平布线主要用于布线互联,其他四种布线资源都和逻辑模块直接相关,可见布线资源的设计中心是逻辑模块。除了互联功能,布线资源在编程测试过程中也发挥重要作用。本文中还设计了多种布线资源的辅助电路模块,完善了布线资源的结构,改进了布线资源性能。反熔丝位于布线资源中,反熔丝的编程通路由布线资源构成理所当然。不同类型的反熔丝构建独特的编程通路,独特的编程通路既能顺利完成编程过程,又能避免误编程的出现。另外还分析布线资源对FPGA编程顺序的影响,设计出合理的编程顺序。最后一章介绍了布线资源在芯片编程前测试中的使用情况。还将一个功能为移位寄存器的设计配置到芯片中,通过反熔丝FPGA的开发软件对各类布线资源的使用做出详细的分析。