论文部分内容阅读
自从1984年Xilinx公司推出第一代FPGA芯片以来，FPGA已经成为当今数字电路设计中一个非常流行的实现途径。现在，随着集成电路工艺与系统设计技术的进步，在系统性能、成本和上市时间方面的应用需求正在不断地演进。现有的基于传统查找表逻辑结构的通用FPGA芯片已经越来越难以满足各利不同市场应用的需求。因此，必须要找到一种新的设计方法来满足这些不同的应用领域在性能、成本和上市时间方面的要求，并且这种新的设计方法要能够灵活地根据每个应用领域不同的架构设计及时地生产出所需的FPGA芯片。
随着数字通信、音视频高清晰录音和显示、太空和军事应用中的高速处理设备等对高性能DSP需求的不断增加，芯片中越来越需要有一个高性能的数字信号处理引擎。通过针对DSP领域优化架构参数，并且嵌入专用的硬件算术资源，以及其固有的并行处理优势使得FPGA成为满足高性能需求的有效设计平台。本文提出了一种嵌入了乘法器阵列的FPGA架构，通过修改架构参数，如乘法器阵列的规模、组织和数据通道的位宽等，可以设计出满足不同处理速度需求的FPGA芯片。该设计方法可以灵活地修改架构参数，并且具有统一的自动化的设计流程。本文提出了一个嵌入式的18x18改进的波茨编码乘法器，它可以用于DSP处理中快速实时乘法运算，其乘法运算速度超过了200MHz。对于需要很多个乘法器的应用可以使用具有更大规模乘法器阵列的架构来实现。
FPGA设计包括FPGA芯片设计和提供给系统设计师用来实现应用逻辑的CAD软件的设计。一个成功的芯片设计有赖于软件的有效协调，并且在整个产品设计周期中不可避免地需要大量的重复设计。尽管一个成功的架构设计可以最大限度地减少重复设计的时间，但是要设计一个高密度的FPGA是非常复杂的，这也是其需要很长的设计周期的原因。其设计过程中一个关键的部分就是后端版图设计，有报道指出～个典型的高密度的FPGA需要超过100人年来完成。当设计一个或多个具有不同架构参数(如乘法器阵列的规模)的FPGA系列时，其所需的设计资源更足超过了一些一般规模的公司的预算。因此必须要有高度自动化的方法来辅助设计，本论文即是针对了FPGA芯片自动化的设计方法做详细的讨论。本论文介绍了一种自动化设计整个FPGA芯片的集成设计方法，它可以完成从架构产生到全芯片行为级和晶体管级模型，更甚至到版图GDSⅡ格式文件的全过程。尽管这种方法已经从不同的观点讨论过很多年，但我们从未见过对它的实现有如同本文详细程度的报导。
本文中提出的高性能的FPGA芯片中包含以下不同的模块：乘法器模块、逻辑模块、布线资源模块、I/O模块、存储器模块、全局信号网络和编程电路等。我们用一个架构描述文件来描述FPGA的各个参数，其中包括FPGA芯片的规模，各个基本模块的类型、数量、位置、尺寸，布线结构和局部互连结构的类型，I/O类型和数量以及封装类型等参数信息。然后，通过我们的CAD工具对架构描述文件进行解析，产生整个芯片详细的互连信息和电路结构，并最终将其转化为实际的电路模型和芯片版图。并且，可以根据应用的不同，通过修改架构描述文件中的相关参数，可以定义针对不同应用领域的一系列FPGA芯片。用本文中的自动化版图工具运行在Intel Core2 Linux工作站上，可以在大约48小时内就自动生成一款规模相当于Xilinx XC3S50而乘法器阵列规模是增强成其四倍的FPGA芯片的版图。同时，为了验证自动产生的FPGA芯片的版图，本文中还提出了自动产生FPGA全芯片的晶体管级模型(CDL网表)的方法，可以用它产生的CDL网表来和自动产生的FPGA全芯片版图进行LVS验证。