反熔丝FPGA配置和编程方法

摘要: 反熔丝FPGA 制造困难且多用在特殊用途领域, 因此有关其位流文件的研究很少.本文首先介绍了反熔丝FPGA 及FPGA CAD 软件流程, 接着描述了反熔丝FPGA 具体结构并通过一个具体例子说明了如何配置反熔丝FPGA , 然后讨论了反熔丝FPGA的编程方法, 由此引出了位流文件的格式和反熔丝单元编程信息格式, 最后提出了反熔丝FPGA 位流文件生成算法并在实验平台实现了该算法。

1 引言

FPGA (现场可编程门阵列)是与CPU 和DSP并列的目前半导体市场上最重要的三类核心数字器件之一反熔丝FPGA 由于其可靠性高抗辐射等优点, 成为空间领域使用的主流FPGA。

典型FPGA 的CAD 流程包括逻辑综合, 工艺映射与打包, 布局, 布线, 时序分析和位流生成几个步骤.逻辑综合负责将硬件描述语言或者原理图形式描述的电路转化为基本门网表, 并进行工艺无关的逻辑优化.工艺映射将于工艺无关的门级网表转换成目标FPGA 的逻辑单元构成的网表布局工具确定了实现电路功能需要的各逻辑单元在FPGA中的具体位置.布线工具根据布局的结果, 利用适当的布线资源, 连接各逻辑单元的输人输出引脚。FPGA位流文件(bit一stream )是指对可编程逻辑器件进行配置的二进制数据集, 这个数据集决定了FPGA的具体功能.位流文件具体描述了需要配置的反熔丝的信息, 编程器通过这些信息即可编程FPGA生成目标电路.由于没有具体的资料可供参考,且当前FPGA 架构存在多样性的特点, 位流文件设计的通用性不强,故而只能从位流文件的基本原理与反熔丝FPGA 的结构出发川, 按照软件工程的方法针对反熔丝FPGA进行位流生成算法设计。

2 反熔丝FPGA 结构及配置方法

配置FPGA大致可分为对逻辑单元配置!布线开关配置以及输人输出单元配置这三部分, 对于细颗粒反熔丝FPGA 来说, 由于逻辑单元是定制的,即无需配置的, 其实现不同逻辑的能力不是依靠逻辑单元本身, 而是通过选择其各个输人引脚与布线资源之间进行不同的连接来实现。

图1 所示为一个典型的细颗粒FPGA逻辑单元, 由于选择器可实现任意逻辑的性质, 对多个选择器进行适当组合, 构成一个逻辑单元.图2 所示该逻辑单元可以通过与布线资源的布通排列组合来实现数目巨大的逻辑门。

 

下面介绍一个具体的配置逻辑单元的例子, 如果需要实现式(1) 逻辑

同理对于I/( )端口, 可以通过对每个端口的输人、输出引脚和布线资源的连接进行配置即可决定
其是输人端口还是输出端口. 由此可见, 对细颗粒反熔丝FPGA 进行配置,实际上就是对布线资源进行配置.因此生成位流配置文件也大为简化, 只需要对FPGA 内部需要配置的反熔丝信息进行整合, 即可得到所需要的位流文件。