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FPGA芯片APA150及其应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:APA150是Actel公司推出的第二代基于Flash的可编程FPGA器件系列ProASICPlus中的一种,非常适合替代ASIC用于航空、消费电子、工业控制、网络和通信市场。文章介绍了APA150的主要特点、内部结构、主要性能参数,给出了APA150在通信系统设计中的应用实例。
  关键词:APA150FPGAASICFlash
  
  1概述
  
  APA150是Actel公司推出的第二代基于Flash(闪存)的可编程FPGA(FieldProgramableGateArray,现场可编程门阵列)器件ProASICPlus系列中的一种。该系列器件兼具ASIC(专用集成电路)的性能和FPGA的灵活性于一身,因此,可非常经济地替代A-SIC用于航空、消费电子、工业控制、网络和通信市场。ProASICPlus系列产品的主要特点如下:
  
  ●系统内可重复编程;
  
  ●非易失,采用0.22μm标准CMOS工艺,内置Flash单元,具有安全的非易失代码存储功能,上电即可运行,无需额外配置PROM存储器;
  
  ●高度保密,使用者可编程设置多位密钥以阻止外界自行读取或更改器件的配置;
  
  ●功耗低芯片核心电压为2.5V;
  
  ●具有与ASIC类似的精细颗粒架构,支持流行的ASIC工具流程,因而可缩短产品上市时间,便于转换到ASIC。
  
  2内部结构和工作原理
  
  APA150主要由逻辑单元块、嵌入式RAM块、I/O块和可编程连线等几个部分构成,块与块之间用不同等级的连接线和Flash开关相连。
  
  逻辑单元是ProASICPlus器件的基本组成单元,用以实现基本的逻辑功能。APA150内部有6144个逻辑单元,每个逻辑单元有三个输入端和一个输出端。通过适当编程配置Flash开关的状态,可将逻辑单元设置成为具有三个输入的、除了异或功能之外的任意逻辑功能块,例如与非门、具有清零或置位端的锁存器或D触发器等。多个逻辑单元互连还可以实现更复杂的逻辑功能。一般的复杂性和随机性设计可在逻辑单元中实现,但为了提高硅片的利用率和器件的性能,一些较为复杂的功能应通过内嵌的随机存储单元来完成。
  
  APA150内嵌16个共36kbits的RAM块(256×9),这些RAM块可以非常方便地实现一些规模不太大的FIFO、双端口RAM等功能。每个RAM块均包含如下3个部分:
  
  (1)数据区;
  
  (2)总线,包括9位输入数据总线(第9位是奇偶极性位)、读和写各8位地址总线和输出数据总线;
  
  (3)读/写控制,读和写可以独立编程配置为同步或异步工作方式,以适应电路设计的灵活性和时序安排。
  
  另外可以根据设计要求级联或堆叠多个RAM块,以得到更大的宽度或深度。因为这些片内存储器的读、写比片外RAM快得多。
  
  I/O块主要用于提供管脚到内部信号线的接口并负责输入输出的电气特性控制。通过编程配置I/O块可使I/O管脚具有输入、输出、双向缓冲或三态驱动等功能,其内部结构如图1所示。将控制上拉电阻接到每个I/O管脚可以防止器件在非正常工作时管脚出现悬浮;通过控制输出信号的电压摆率可满足低噪声或高转换速度的要求。如将VDDP接到电源,那么,当VDDP为2.5V时,输入电压或输出高电平为2.5V;而当VDDP为3.3V时,输入电压可为2.5V/3.3V,输出电平则与2.5V或3.3V系统兼容。
  
  APA150器件内部遍布一系列四个级别水平和垂直的连接线:其中超高速本地线用于连接相邻逻辑单元;有效长线则可实现远距离和高扇出连接,其长度可以跨越1、2或4个逻辑单元;另外,高速甚长线常用于甚长或甚高扇出连接,它可以跨越整个器件;高性能全局线常用以连接全局管脚到内部的逻辑单元,如分配作时钟、复位的管脚等。
  
  诸多连接线与逻辑单元或其它块的连接状态由上电即可在系统内编程的Flash开关来决定,其结构如图2所示。其中,浮动栅的作用是通过充电或放电来设定连接两个金属线路之间的开关状态。由于可编程器件或开关器件未发生任何物理变化,因此通过材料分析探测不到任何结果。发生变化的只有浮动栅的电子数,因此,基于Flash的APA150比采用其它工艺(如反熔丝)的FPGA更难以反求和复制。
  
 

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