高速低功耗FPGA的應用設計

Actel公司是眾多FPGA生產廠家中的著名供應商，美國的火星探路者使用了該公司的FPGA，表明它具有優異性能。

54SX系列FPGA是公司新一代產品，采用Actel專利的反熔絲技術制成。SX系列器件采用FastConnect與DirectConnect兩種創新的局部連線資源將邏輯塊連接在一起。一方面，這兩種連線為分段式連線資源，因而連接電容更小。分段結構還允許切斷未使用連線，進一步減小電容，連接電容的減小意味著功耗的降低；另一方面，該系列器件是在細顆粒的4輸入多路選擇器基本邏輯塊上構建的，并且具備有多個控制輸入，一個基本單元能實現所有5輸入邏輯功能，使大規模的邏輯映射更有效。這種細顆粒結構與大量分段式連線資源的結合，有助于在不降低性能的前提下減小功耗。

與其它FPGA廠家的產品相比，54SX系列器件還具有以下優勢：

* 可靠性高：芯片內部采用金屬-金屬反熔絲元件，編程后內部連接為永久的反熔絲型連接，而反熔絲互連就象純金屬連接一樣，防靜電及電磁干擾；

* 功耗低：反熔絲結構消除了靜態存儲器互連開關的功耗，并且由于邏輯信息是永久性編程的，器件在通電序列中無需進行重構，信息的存儲與保持不消耗電流，從而減小靜態電流，降低功耗；

* 保密性好：采用多層邏輯單元，內部邏輯易破解。

以Actel FPGA實現的數字邏輯電路設計，必須采用先進的EDA（電子設計自動化）軟件,該類軟件一般包括兩部分：邏輯電路設計部分和FPGA布局布線器。本文邏輯電路設計工具主要采用的是ViewLogic公司(已更名為Innoveda公司——編者注)的WorkView Office軟件包和Actel公司的邏輯功能模塊產生器Actgen Macro Builder。布局布線器是Actel公司的Designer軟件。

WorkView Office軟件包集成了多種數字電路計算機輔助設計工具，包括電路原理圖輸入軟件ViewDraw、VHDL(超高速集成電路硬件設計描述語言）、仿真軟件SpeedWave、VHDL綜合工具FPGA Express、門級電路仿真工具ViewSim、信號波形與時序顯示工具ViewWaves、邏輯設計結果與FPGA布局布線器接口軟件EDIF Interface等幾部分。

Actgen Macro Builder主要功能是生成基于Actel元件庫的可參數化的常用邏輯模塊，例如，計數器、寄存器、加法器、比較器等等。這些功能模塊可在ViewDraw中實例化，作為更上層功能單元的子模塊使用。Designer軟件包括EDIF編譯、工藝映射、設計優化、延時約束、FPGA引腳指定、自動布局布線、延時分析、延時信息反標注、邏輯信息固化文件生成等多種功能。

為提高FPGA的數據處理速度及降低芯片功耗，邏輯電路設計應重點采用以下措施：

1）采用流水線，降低芯片功耗，提高系統時鐘。流水線是一種設計技巧，它在很長的組合邏輯路徑中插入寄存器，寄存器雖增加了運算周期數，卻能大大減少組合邏輯延時，提高整個系統工作頻率。例如，在如下計算模型Err=a-b-c+d中，沒有流水線的電路如圖1(a），引入流水線后，電路如圖1(b）。

為考察圖1a與圖1b兩種電路的速度差別，本文進行如下實驗：

實驗1：設計兩套數字電路A、B，并分別以兩片FPGA54SX32PQ208來實現，其中電路A與圖1a無流水線電路對應，電路B與圖1b有流水線電路對應，電路A、B都使用具有超前進位功能的16位快速加法器和減法器。仿真結果如表1中A,B所示。

結論：有流水線電路B在占用資源略有增加情況下，工作速度是沒有流水線電路A的2倍多，可見，少量資源換來了芯片工作速度的成倍增加。

2）按面積優化組合邏輯，減小組合邏輯的復雜性，從而減少組合電路需要的邏輯門數量，邏輯門數的減少，意味著芯片功耗的降低。流水線的使用已經保證芯片具有足夠高的處理速度，各個寄存器間的組合邏輯不再以速度為優化目標進行設計，考慮到功耗要求，應以最少的邏輯門數實現該功能。例如，上面預測誤差的計算電路，其中加法器、減法器都使用簡單的結構形式，而不再使用超前進位或更復雜的結構，這樣可以在節省邏輯門數情況下，電路仍具有高的處理速度，實驗結果如表1。

實驗2：使用結構簡單的加法器、減法器流水線電路C與電路A、B的比較實驗。電路C采用流水線結構，使用的加法器、減法器也是16位，但結構比電路A、B中的加法器、減法器簡單，該電路在一片FPGA54SX32PQ208內實現。仿真結果如表1的C所示。

結論：同電路A相比，電路C在資源節省13%條件下，工作頻率高出電路A 15%，達到45MHz以上；與電路B相比，電路C節省資源20%以上，并且由于45MHz的工作頻率對于復雜功能芯片（例如圖像或視頻編解碼芯片)來講，已經足夠了。由此可見：在使用流水線的情況下，應以邏輯門數為優化目標，設計組合邏輯電路。

3)以原理圖描述功能模塊的數據流，以VHDL語言的行為語句描述控制流。這種邏輯電路設計思想，充分利用原理圖設計直觀、形象和VHDL輸入法簡單明了的優勢，既可以獲得具有高效率流水線結構的同步電路，又能夠大大縮短設計時間。

4)在電路設計過程中，應使用“自底向上”與“自頂向下”設計相結合、“邏輯設計”與“功能仿真”交替進行的設計技巧，以保證邏輯電路的層次化、模塊化以及功能的正確性。首先把邏輯復雜的功能模塊，分割為幾個相對簡單的小模塊；然后分別設計這些小模塊，進行功能仿真，發現錯誤，修改設計，再仿真……，直到功能完全正確；再實例化小模塊，組成功能復雜的大模塊，依舊重復功能仿真、修改設計的過程；再實例化這些大模塊，構成更上層模塊……，最后獲得功能完全正確的邏輯電路。

如果邏輯電路不可能在單個芯片上實現，必須對原有邏輯電路進行功能拆分，分割為若干功能塊，每個功能塊在一片FPGA中實現，整個電路由一組芯片實現。

電路拆分是一項具有試湊特點的工作，但還是有一定規律可以遵循：

1） 按照VLSI結構設計時形成的功能模塊分割邏輯電路，同一功能模塊中的邏輯電路在一片FPGA中實現，這樣保證了系統設計時的模塊化，便于設計的再利用、修改與升級。

2） 邏輯分割沒有必要平均化，而是考慮模塊功能的相對獨立性與模塊間的數據交換量，功能模塊間數據交換鏈路多的邏輯電路在一片FPGA內實現，這樣可以減少芯片的I/O引腳，降低功耗。

3）如果使用了片外存儲器，功能分割要使FPGA芯片組與存儲器之間的連接關系簡單，有利于PCB布局布線。

邏輯電路設計完成，按以下步驟在FPGA中物理實現：

1)、生成EDIF文件：使用 EDIF Interface工具將原理圖轉化成EDIF文件。

２)、編譯：使用Designer軟件編譯該EDIF文件，并指定FPGA器件為54SX系列。

３)、引腳定義：按照有利于印刷線路板設計的原則，定義FPGA引腳功能。

４)、布局布線：啟動FPGA自動布局布線器。

５)、延時分析：布局布線完成后，利用Designer軟件進行分析，從中得到芯片的最高工作頻率。

６)、延時仿真：提取布局布線后的延時信息，進行延時仿真。

７)、生成邏輯信息固化文件：延時仿真通過后，由Designer生成邏輯信息固化文件。

８)、制造芯片：使用特定編程器根據邏輯信息固化到FPGA中，從而制成專用芯片。■

參考文獻

Actel公司，Actel FPGA Data Book,2000.