七讲ASIC的可编程器件实现方法

1、1第七讲第七讲ASIC的可编程器件实现方法的可编程器件实现方法浙大微电子浙大微电子韩韩 雁雁2013.42电路实现形式与成本的考量电路实现形式与成本的考量 对于数量较大的专用集对于数量较大的专用集成电路成电路 采用版图设计的方法进采用版图设计的方法进行批量生产较为合理行批量生产较为合理 全定制与标准单元法全定制与标准单元法 均属于版图设计的方法均属于版图设计的方法 但当数量较小但当数量较小, 或仅是或仅是为某些样机研制样片为某些样机研制样片 用用现场现场可编程器件的方可编程器件的方法来实现法来实现, 将是更合理的将是更合理的选择选择3可编程器件与现场可编程器件可编程器件与现场可编程器件可编程器

2、件家族可编程器件家族可编程只读存储器可编程只读存储器ROM系列系列可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD系列系列规模和功能都上了一个档次的规模和功能都上了一个档次的CPLD系列系列现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA系列系列可编程器件的编程方法可编程器件的编程方法工厂的掩膜编程方法工厂的掩膜编程方法 可编程可编程ROM系列中的系列中的ROM和可编程逻辑器件中的和可编程逻辑器件中的PLA用户的现场编程方法用户的现场编程方法 除上面两类的其它器件除上面两类的其它器件用户现场编程方法有着十分明显的优越性用户现场编程方法有着十分明显的优越性, 具有具有十分强大的生命力和发展潜力。十分强大的生命力和发展

3、潜力。 4可编程器件与现场可编程器件可编程器件与现场可编程器件可编程器件家族可编程器件家族可编程只读存储器可编程只读存储器ROM系列系列可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD系列系列规模和功能都上了一个档次的规模和功能都上了一个档次的CPLD系列系列现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA系列系列51、可编程只读存储器系列可编程只读存储器系列 ROM（Read Only Memory） PROM（Programmable ROM） EPROM（Erasable PROM ） EEPROM/E2PROM（Electrical EPROM ） 6ROM (工厂掩膜编程)问题：问题：能读出能读出0电平吗

4、？电平吗？7PROM（用户现场编程）熔丝型PROM单元结构 结破坏型PROM单元结构 称为一次性可编程只读存储器称为一次性可编程只读存储器 问题：会不会整个字节都被编程为问题：会不会整个字节都被编程为“1”或或“0”？ 如何避免？如何避免？8熔丝（熔丝（FuseFuse）技术）技术 是用熔丝作为开关元件，这些开关元件在未编是用熔丝作为开关元件，这些开关元件在未编程时处于连通状态，加电编程时，在不需要连程时处于连通状态，加电编程时，在不需要连接处将熔丝接处将熔丝熔断熔断，最终形成的熔丝模式决定了，最终形成的熔丝模式决定了整个器件的逻辑功能（前页左）。整个器件的逻辑功能（前页左）。2. 2. 反熔

5、丝（反熔丝（Anti-FuseAnti-Fuse）技术）技术 也称也称熔通熔通技术，这类器件是用逆熔丝作为开关技术，这类器件是用逆熔丝作为开关元件。这些开关元件在未编程时处于开路状态，元件。这些开关元件在未编程时处于开路状态，编程时，在需要连接处的开关元件两端加上编编程时，在需要连接处的开关元件两端加上编程电压将其融通（前页右）。程电压将其融通（前页右）。9EPROM （可擦除式现场编程）（可擦除式现场编程）采用可逆工作机理的采用可逆工作机理的“浮栅浮栅”雪崩注入雪崩注入MOS电电路路 写入写入1：衬底接地，D端加高压，雪崩击穿，隧道效应，浮栅积累正电荷，形成反型层沟道读出：读出：字线加高电平

6、擦除：擦除：紫外光的照射可使浮栅上的电荷获得能量, 穿过绝缘层, 跑回衬底 称为光可擦除式（可多次进行）称为光可擦除式（可多次进行） 浮栅结构，写入前全浮栅结构，写入前全0 问题：问题：位线应如何配合位线应如何配合“1”的写入的写入10EEPROM （电可擦除式现场编程）（电可擦除式现场编程） 叠栅结构，叠栅结构， 写入前全写入前全1写入写入0：衬底接地， D端G端同时加高压，雪崩击穿，隧道效应，浮栅积累负电荷，阻碍反型层沟道的形成.读出：读出： D端G端同时加高电平.擦除：擦除：D端加高压, G加0V, 雪崩击穿发生, 正电荷注入浮栅中和负电荷, 存储单元由“0”变为“1”。可多次进行可多次

7、进行11Flesh Memory 12关于字线电压关于字线电压VG的产生电路的产生电路空载时本身消耗电流空载时本身消耗电流1uA (0消耗消耗)工作时消耗电流工作时消耗电流5mA输出电压输出电压VG = 5-6V建立时间建立时间20nS在所有的在所有的PVT下，输出电压变化下，输出电压变化20mV工艺角工艺角PVT包括包括SS,SF,FS,FF,TT负载负载 电容电容3pF本身工作电源电压本身工作电源电压Vcc=1.52.1V（1.8V士士0.3V）军品温度范围军品温度范围: -55C125C电阻必须片内集成电阻必须片内集成13关于位线电压关于位线电压VD的产生电路的产生电路在所有的在所有的P

8、VT下，电荷泵输出为下，电荷泵输出为6.75V和和1.6mA工艺角工艺角PVT包括包括SS,SF,FS,FF,TT负载负载 30pF负载电流从负载电流从100uA到到1.6mA范围内，输出电压降低小于范围内，输出电压降低小于 150mV电荷泵的功效要大于电荷泵的功效要大于40%由电荷泵构成的电压源的功效要大于由电荷泵构成的电压源的功效要大于 70% 本身工作电压本身工作电压Vcc=1.52.1V（1.8V士士0.3V）军品温度范围军品温度范围: -55C125C输出电压纹波小于输出电压纹波小于 +-50mv!面积小于面积小于0.22mm2142、可编程逻辑器件可编程逻辑器件 PLD 可编可编“

9、与与”逻辑、可编逻辑、可编“或或”逻辑的逻辑的PLA Programmable Logic Array 可编可编“与与”逻辑、固定逻辑、固定“或或”逻辑的逻辑的PAL Programmable Array Logic I/O端口亦可编程的端口亦可编程的GAL Generic Array Logic15可编程器件与现场可编程器件可编程器件与现场可编程器件可编程器件家族可编程器件家族可编程只读存储器可编程只读存储器ROM系列系列可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD系列系列PLAPALGAL规模和功能都上了一个档次的规模和功能都上了一个档次的CPLD系列系列现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA系列

10、系列16 任何组合逻辑的功能任何组合逻辑的功能最终都可以转化为最终都可以转化为“与与”之之“或或”的逻的逻辑表达形式辑表达形式 F =ABC + BCD +AD 对栅极进行选择性开对栅极进行选择性开引线孔实际上就是对引线孔实际上就是对电路进行编程电路进行编程 PLA（工厂掩膜编程工厂掩膜编程）与矩阵或矩阵17乘积项之和乘积项之和18PAL（现场可编程现场可编程） PAL是一种现场可编程的是一种现场可编程的PLA 参照参照PROM的现场可编程技术的现场可编程技术 让设计者可自己让设计者可自己“烧烧”逻辑（一次性器件）逻辑（一次性器件）且只对且只对“与与”阵列编程，阵列编程，“或或”阵列为固定的。

11、阵列为固定的。 19GAL(现场可编程现场可编程) 电可擦除的电可擦除的PAL（参照（参照EEPROM叠栅工艺）叠栅工艺） 可多次使用。可多次使用。 输出端也设计成可编程的宏单元结构，输出端也设计成可编程的宏单元结构， 通过对若干个变量的控制通过对若干个变量的控制, 可将输出设置成可将输出设置成 组合逻辑输出组合逻辑输出 时序逻辑输出时序逻辑输出 三态输出三态输出 双向输入双向输入/输出输出 20可编程器件与现场可编程器件可编程器件与现场可编程器件可编程器件家族可编程器件家族可编程只读存储器可编程只读存储器ROM系列系列可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD系列系列规模和功能都上了一个档次的规模和

12、功能都上了一个档次的CPLD系列系列现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA系列系列213、CPLD Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件 是是FPGA的雏形的雏形 电路结构与电路结构与FPGA类似，规模、资源比类似，规模、资源比FPGA少少 FPGA与与CPLD的辨别主要是根据其结构特的辨别主要是根据其结构特点和工作原理：点和工作原理： 以乘积项方式构成逻辑行为的器件称为以乘积项方式构成逻辑行为的器件称为CPLD 以查表法方式构成逻辑行为的器件称为以查表法方式构成逻辑行为的器件称为FPGA2223可编程器件与现场可编程器件可

13、编程器件与现场可编程器件可编程器件家族可编程器件家族可编程只读存储器可编程只读存储器ROM系列系列可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD系列系列规模和功能都上了一个档次的规模和功能都上了一个档次的CPLD系列系列现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA系列系列24基本单元由三类模块组成基本单元由三类模块组成CLB ( Configurable Logic Block)， 实现各种逻辑操作实现各种逻辑操作,由组合逻辑部件、由组合逻辑部件、D触发器、触发器、多路选择器组成多路选择器组成开关矩阵开关矩阵( Switching Matrix ) ，完成复杂的内部，完成复杂的内部连接连接,也叫也叫PIR (

14、Programmable Interconnect Resource)1. 输入输入/输出模块输出模块( I/O Block )，实现输入、输出、双向、延实现输入、输出、双向、延迟、三态等各种输入迟、三态等各种输入/输出功输出功能能4、FGPA (现场可编程逻辑阵列)25CLB模块主要组成部件：主要组成部件： 逻辑函数发生器逻辑函数发生器 触发器触发器 数据选择器数据选择器 函数发生器基于函数发生器基于 查找表查找表LUT单元单元查找表LUT输入1输入2输入3输入4输出26SM模块通过自动布通过自动布线实现各种线实现各种电路的连接电路的连接PIR由许多金由许多金属线段构成，属线段构成，这些线段

15、带这些线段带有可编程开有可编程开关关27I/0 Block输入触发器输入触发器输入缓冲器输入缓冲器输出触发输出触发/锁存器锁存器输出缓冲器输出缓冲器每个每个IOB控制一个引脚控制一个引脚它们可被配置为它们可被配置为输入输入输出输出双向双向三态三态28其它辅助元器件和连线其它辅助元器件和连线 PIPs - Programmble Interconnect Points 可编程的内连点可编程的内连点 BIBs - Bidirectional Interconnect Buffers 双向内连缓冲器双向内连缓冲器 VLL - Vertical Long Line 垂直长线垂直长线, 在垂直方向起快速

16、通道作用在垂直方向起快速通道作用 HLL- Horizontal Long Line 水平长线水平长线, 在水平方向起快速通道作用在水平方向起快速通道作用 三态缓冲器三态缓冲器( 3 - State Buffer) 全局网络全局网络( Global Net )等等等等29 FPGA 内部样貌30FPGA产品产品 商品化的商品化的FPGA产品很多产品很多, 且各有特点：且各有特点： 由一块由一块EPROM驱动驱动, 所有的所有的ASIC设计数据都写入设计数据都写入EPROM而不是直接写入而不是直接写入FPGA芯片。将这块芯片。将这块EPROM与与FPGA芯片芯片相连相连, 工作时工作时, 在通电

17、的瞬间在通电的瞬间, 先由先由EPROM将其内部的设计将其内部的设计数据灌入数据灌入FPGA中的中的SRAM, 形成具体的工作电路配置形成具体的工作电路配置, 完成完成ASIC的特定功能。断电后的特定功能。断电后, SRAM上的这些数据自然丢失上的这些数据自然丢失, 又变成一块通用的又变成一块通用的FPGA芯片芯片, 可派作它用可派作它用 一次性的一次性的, 将采用熔丝技术的将采用熔丝技术的PROM做在做在FPGA芯片内部芯片内部, 工作时可不必额外拖带一块工作时可不必额外拖带一块EPROM电路电路31目前世界上有十几家生产目前世界上有十几家生产CPLD/FPGACPLD/FPGA的公司，的公

18、司，最大的四家是：最大的四家是：ALTERAALTERA，XILINXXILINX，LatticeLattice，ActelActel，其中其中ALTERAALTERA和和XILINXXILINX占有了占有了60%60%以上的市场份额以上的市场份额32AlteraAltera的主流产品分为两大类的主流产品分为两大类侧重低成本应用侧重低成本应用, ,容量中等容量中等, ,性能可以满足一般性能可以满足一般的逻辑设计要求的逻辑设计要求, ,如如Cyclone,Cyclone II,VCyclone,Cyclone II,V侧重于高性能应用侧重于高性能应用, ,容量大容量大, ,性能能满足各类高性能能

19、满足各类高端应用端应用, ,如如Stratix,Stratix IIStratix,Stratix II等等, ,用户可以根用户可以根据自己实际应用要求进行选择。据自己实际应用要求进行选择。 开发软件为开发软件为QuartusQuartus33AlteraAltera Cyclone V:Cyclone V: 2011 2011年推出年推出,28nm,28nm工艺工艺, , 1.1v1.1v内核供电内核供电34Altera Stratix V:Altera Stratix V: 20112011年推出年推出,28nm,28nm工艺工艺, , 0.85v0.85v内核供电内核供电, ,大容量高性

20、能大容量高性能FPGAFPGA35ALM和LE ALM由组合逻辑、两个寄存器和两个加法器构成由组合逻辑、两个寄存器和两个加法器构成 组合部分含组合部分含8个输入，包括一个查找表个输入，包括一个查找表(LUT)，使，使用用Altera的专利的专利LUT技术，查找表可以在两个自技术，查找表可以在两个自适应适应LUT (ALUT)之间进行划分。一个完整的之间进行划分。一个完整的ALM可实现一个任意可实现一个任意6输入功能，但是由于组合输入功能，但是由于组合逻辑模块有逻辑模块有8个输入，因此，一个个输入，因此，一个ALM可以实现可以实现两个功能的各种组合。两个功能的各种组合。 一个等效一个等效逻辑单元

21、逻辑单元LE 基本上可以看成由一个小型基本上可以看成由一个小型的的LUT ，一个，一个D触发器和一个触发器和一个2to1选择器选择器 36XilinxXilinx的主流产品分为两大类的主流产品分为两大类侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如般的逻辑设计要求，如SpartanSpartan系列；系列；侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如高端应用，如VirtexVirtex系列系列 开发软件为开发软件为ISEISE37XilinxXilinx Spartan-6:Spartan-6

22、: 20092009年初推出，年初推出，45nm45nm工艺，工艺，面向低成本、低功耗应用面向低成本、低功耗应用 DSP块内含18x18乘法器、加法器、累加器各1个器件器件逻辑单逻辑单元元最大最大Block RAM（kb）DSP块块存储存储器控器控制块制块最大用最大用户户I/O数数 价格价格（美元）（美元）XC6SLX43,840216801326-10XC6SLX99,15257616220010-15XC6SLX1614,57957632223213-25XC6SLX2524,05193638226620-42XC6SLX4543,6612,08858235830-52XC6SLX7574,6373,096132 440852-80XC6SLX100101,261 4,824180 448063-137XC6SLX150147,443 4,824180 457697-18038XilinxXilinx Virtex-6:Virt