复旦大学专用集成电路与系统实验室
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC 多路选择器型可编程逻辑单元结构--多路选择器型可编程逻辑单





元结构中基本的构成部分是多路选择器 (Mux)，它是利用多路开 关的特性来形成不同的逻辑功能。 例如具有选择输入s和输入信号a和b的多路开关，输出的f=sa+sb, 当置b为逻辑零时，多路开关实现与的功能:f=sa;当置a为逻辑1时， 多路开关实现或的功能，f=s+b。 Actel公司的Act系列器件的可编程逻辑单元采用MUX型结构。 图(4· 13)为Act-l的逻辑模块(称为LM)。它可以完成任何输 入为二变量的功能、大部分三变量功能及某些四变量功能。Act-l 的LM由三个两输入多路开关和一个或门成，共有八个输入和一个 输出，可以实现的函数为: ______ _ _ f=(S3+S4)(S1w+S1x)+(S3+S4)(S2y+S2z) 通过对输入变量进行不同的设置，可以实现7力种逻辑函数 多路开关型的LM结构其基本单元较小，结构简单，逻辑单元的利 用率高，但因此而需要大而复杂的连线资源
复旦大学专用集成电路与系统实验室
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
传统PLD类型的可编程逻辑单元结构--现今流行的复杂
PLD即CPLD结构是从传统PLD结构演变而来的。以 Altera公司的MAX系列CPLD为例，它的宏单元中的逻 辑阵列是由可编程宽输入的与阵列和固定的或门及异 或门组成。我们知道，任意组合逻辑都可以用输入变 量的乘积项之和形式表示出来。因此这种AND-OR阵 列结构能够产生输入变量的任意组合逻辑。 MAX7000系列宏单元由逻辑阵列，乘积项,选择矩阵和 可编程触发器组成,可用较少的功能块来形成逻辑函数， 这样可以降低连线的规模，使连线延迟得到较好的控 制
SRAM编程技术 – SRAM编程技术是由静态存贮单元来实现编 程控制的。对芯片内阵列分布的SRAM加载 不同的配置数据，芯片可实现不同的逻辑功 能。 – 编程控制是用SRAM单元去控制传输门或多 路选择器，每个静态存储单元载入配置数据 中的一位，控制FPGA逻辑单元阵列中的一 个编程选择。采用SRAM编程技术可以重复 编程，且电路编程构造与再构造的速度很快
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
4.1概述 – 可编程ASIC (FPGA,CPLD)特点
• • • • • 规模较大(几千门~几百万门) 适用于时序,组合等各种逻辑电路 大部分具有重复特性 设计周期短,风险小,设计费用低 现场和在系统编程
复旦大学专用集成电路与系统实验室
4.2.2编程技术--可编程逻辑器件是通过可
编程开关来实现器件内部连线和逻辑功 能块的编程控制。习惯上把编程开关的 实现方法称为编程技术。
– 可编程ASIC的编程技术主要可分为
• 静态RAM (SRAM)编程技术 • 浮栅编程技术 • 反熔丝编程技术
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
• 开关面积小，导通电阻低。 • 不需要附加PROM或EPROM，保密性好。
– 主要缺点是一次性编程，成本相对提高。
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
反熔丝(Antituse)编程技术
– Actel公司的ACT系列FPGA采用反熔丝编程 技术。美国的QuickLogic公司及Xlinx8100系 列，也采用反熔丝技术。由于需求问题， Xlinx已放弃反熔丝技术，Cypress也不采用 反熔丝编程元件而要推出基于SRAM的产品。
• 基于查找表的逻辑单元结构 • 基于多路选择器的逻辑单元结构。 • 传统可编程阵列逻辑。
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
可编程输入一输出块I/O提供外部封装腿
与内部逻辑块之间的接口。I/O的设计须 考虑许多要求
• 支持输入、输出、双向、集电极开路和三态输出 模式 • 与同一生产厂家的其它可编程ASIC系列芯片接 口 • 可根据需要选择高驱动能力高速或低功耗、低噪 声等等。 • 要求1/0块能兼容多个电压标准
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
基于查找表型(LUT)可编程逻辑单元结构--基于
查找表型可编程逻辑单元结构的器件，其组合 逻辑功能是通过“查找表”来实现的。查找表 LUT是利用数字存储技术将逻辑功能真值表存 储起来，通过“查表”方式实现逻辑功能 查找表型结构的优点是可以构成相当大的逻辑。 目前采用这种结构的产品有Xlinx的XC3000， XC4000，XC5000系列及Spartan系列和Virtex系 列;Altera的FLEX10K，FLEX8K，FLEX6000系 列;APEX20K系列也具有LUT结构。
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
可编程连线资源提供逻辑功能块与逻辑
功能块之间及逻辑功能块与I/O之间的连 线。
– 连线资源的延迟特性直接影响芯片的性能。 按布线延迟可否预先估算，可编程互连资源 可分为统计型和确造型二类
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
浮栅编程技术
– 浮栅编程技术包括EPROM、EEROM及闪速存储器 (Flash Memory)。这三种存储器都是用悬浮栅存储 电荷的方法来保存编程数据的，因此在断电时，存 储的数据不会丢失 – 浮栅编程技术具有可擦除性，电路可再构造，并且 可作为非丢失器件，在掉电后仍能保持编程数据， 不需要外接永久性存储器。 – 浮栅编程技术的工艺较复朵，功耗比较高。 – 浮栅编程技术的主要产品是Altera公司的Classic和 MAX系列产品，Latice，AMD公司的产品也采用浮 栅编程技术，Xlinx的CPLD产品采用FastFlash技术。
复旦大学专用集成电路与系统实验室
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
传统PLD类型的可编程逻辑单元结构--现今流行的复杂PLD即
CPLD结构是从传统PLD结构演变而来的。以Altera公司的MAX系 列CPLD为例，它的宏单元中的逻辑阵列是由可编程宽输入的与 阵列和固定的或门及异或门组成。我们知道，任意组合逻辑都可 以用输入变量的乘积项之和形式表示出来。因此这种AND-OR阵 列结构能够产生输入变量的任意组合逻辑。 MAX7000系列宏单元由逻辑阵列，乘积项,选择矩阵和可编程触 发器组成,可用较少的功能块来形成逻辑函数，这样可以降低连线 的规模，使连线延迟得到较好的控制 这类结构的缺点是输入端有效利用率不可能很高，导致芯片面积 利用率的降低。同时CPLD结构的乘积项阵列用到线与结构和上 拉电阻，故增加了静态功耗。
复旦大学专用集成电路与系统实验室
复旦大学专用集成电路与系统实验室
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
例子:用查找表结构实现一位全加器的方法。一位全加
器有三个输入Ao，Bo和进位输入Ci;有二个输出:和数 输出So和进位输出Co。其逻辑方程为: So=Ao+Bo+Co，Co=AoCi+BoCi+AoBo 用查找表结构实现一位全加器，要求查找表有三个 以上的输入端和二个以上的输出端。若选用XC3000系 列可将原来五输入的32xl SRAM分成两个16x1的存储 器;每个存储器只用1半，即用两个三输入的8X1存储器 分别存入So，Co的值。 如果选用含有四输入查找表的系列实现一位分加器， 需要用二个四输入16Xl SRAM，每个存贮器也只用1半。
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
4.2.3可编程逻辑单元结构 – 可编程逻辑单元是可编程ASIC的核心，是 可编程ASlC器件实现各种逻辑功能的基础， 目前可编程ASIC的逻辑单元结构主要有以 下几类: – 基于查找表LUT(Look-up-Table)的结构 – 基于多路选择器 (MUX)的结构 – 基于传统PLD结构的可编程逻辑单元
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
4.1概述 – 可编程逻辑器件 (programable Logic Device) 简称PLD
• • • • • 70年代 PROM, PLA, PAL 80年代初 GAL Latice 公司 84年 EPLD (CPLD) Altera 公司 85年 FPGA Xilinx 公司 90年代 0.18um, 1.8V, 5~6层布线,几百万门, 速度200MHz,内部RAM, 片内DLL,丰 富的布线资源. 强大的EDA软件和IP 支持,朝高速,高密度,低功耗,大容量 方向发展
现相同功能时每次实现相同的布线模式。所以这类 PLD器件布线延迟特性是确定的。 Altera公司器件属确定型互连结构。图 (4· 为 16) MAX7000 系列器件的结构示意图。其PIA (Programmable Interconnect Array)可编程互连阵列为全 局总线可编程通道，通过编程将各逻辑阵列块相互连 接构成所需的逻辑。MAX7000的所有专用输入，I/0控 制和宏单元输出均馈送到PIA，PIA把这些信号送到整 个器件内的各个地方。PIA好象一个巨大的开关块。它 使得一个LAB的输出很方便地与另一个LAB 的输入相 连。并且通过固定的开关数，使得布线与延迟计算变 得非常简单，并且确定。
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
复旦大学专用集成电路与系统实验室
第四章 可编程ASIC
– 采用SRAM 编程技术时，通常将一定格式的 配置数据存放于ASIC芯片外附加的PROM或 EPROM中，在系统加电进行配置时，将配 置数据加入ASIC芯片内的SRAM单元中，亦 可由微处理器控制，直接将数据加载SRAM 单元中 – 目前采用SRAM编程技术的ASIC产品，主要 有XilinxFPGA各个系列，AlteraFLEX各个系 列和APEX系列的产品以及AT&T公司的 DRCA系列产品等。Actel的系统可编程门阵 列 (SPGA)也采用了SRAM编程技术