一款基于SRAM的FPGA器件设计

FPGA是一种可通过用户编程来实现各种数字电路的集成电路器件。用FPGA设计数字系统有设计灵活、低成本，低风险、面市时间短等好处。本课题在结合国际上FPGA器件方面的各种研究成果基础上，对FPGA器件结构进行了深入的探讨，重点对FPGA的互连结构进行了分析与优化。FPGA器件速度和面积上相对于ASIC电路的不足很大程度上是由可编程布线结构造成的，FPGA一般用大量的可编程传输管开关和通用互连线段实现门器件的连接，而全定制电路中仅用简单的金属线实现，传输管开关带来很大的电阻和电容参数，因而速度要慢于后者。这也说明，通过优化可编程连接方式和布线结构，可大大改善电路的性能。本文研究了基于SRAM编程技术的FPGA器件中逻辑模块、互连资源等对FPGA性能和面积的影响。论文中在介绍FPGA器件的体系构架后，首先对开关矩阵进行了研究，结合Wilton开关矩阵和Disioint开关矩阵的特点，得到一个连接更加灵活的开关矩阵，提高了FPGA器件的可布线性，接着本课题中又对通用互连线长度、通用互连线间的连接方式和布线通道的宽度等进行了探讨，并针对本课题中的FPGA器件，得出了一套适合于中小规模逻辑器件的通用互连资源结构，仿真显示新的互连方案有较好的速度和面积性能，在互连资源的面积和性能上达到一个很好的折中。 接下来课题中对FPGA电路的可编程逻辑资源进行了研究，得到了一种逻辑规模适中的粗粒度逻辑块簇，该逻辑块簇采用类似Xilinx 公司的FPGA产品的LUT加触发器结构，使逻辑块簇内部基本逻辑单元的联系更加紧密，提高了逻辑资源的功能和利用率。随后我们还研究了IO模块数目的确定和分布式SRAM结构中编程电路结构的设计，并简单介绍了SRAM单元的晶体管级设计原理。最后，在对FPGA构架研究基础上，完成了一款FPGA电路的设计并设计了相应的电路测试方案，该课题结合CETC58研究所的一个重要项目进行，目前已成功通过CSMC0.6μm 2P2M工艺成功流片，测试结果显示其完全达到了预期的性能。