PLD第四章 FLEX10k

快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina第四章典型FPGA：ALTERA公司的FLEX10K、FLEX10KE原理结构和应用宋克柱中国科学技术大学快电子实验室[e-mail]可编程逻辑器件原理与应用快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina4-1概述•FLEX10K是工业界第一个嵌入式FPGA，具有高密度、低成本、低功率等特点，是应用非常广泛的一种FPGA器件。•FLEX10K系列有：FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KB、FLEX10KV、FLEX10KE•采用重复可构造的CMOSSRAM工艺，把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合。•每个FLEX10K包扩一个嵌入式阵列和一个逻辑阵列•FLEX10K的逻辑功能和互连关系是由CMOSSRAM单元配置的。系统上电时，通过储存在一个Altera提供的EPC1或EPC2，通过串行数据流来配置FLEX10K器件。也可以通过系统，用Altera提供的BitBlaster或ByteBlaster下载电缆下载。•通过复位，可以在线重新配置，重新配置时间不超过320ms，可以实时改变配置。快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina4-2主要特性1.工业界第一个嵌入式可编程逻辑设备系列，提供了“system-on-a-programmable-Chip”集成度：•嵌入式阵列，可以实现逻辑宏函数，例如，高效MEMORY、特殊的逻辑功能•逻辑阵列，实现普通逻辑功能2.高密度•10,000to250,000门（typicalgates）•多达40,960RAMbit（40kbit），每个EAB（embededarrayblock）有2048bits，所有的RAMbit都可以使用，而不会减少逻辑容量。•FLEX10KE系列：98,304RAMbit，每个EAB有4096bits。快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina3.系统级特性•支持多电压I/O接口•FLEX10KA设备，5V输入允许•低功耗（standby模式小于0.5mA）•FLEX10K、FLEX10KA设备支持PCI总线规范2.2•FLEX10KA设备包含有上拉钳位二极管，可以对每个管脚选择是否与3.3VPCI兼容•选择FLEX10KA设备支持8个或更少的5VPCI负载•内部具有JTAG边界扫描测试电路BST（boundaryscantest），符合IEEEStd.1149.1-1990，不占用任何片内可用逻辑•在电路重新配置（ICR：in-circuitreconfigurability）能力，通过外部配置设备、智能控制器、JTAG端口•ClockLock和ClockBoost选择，可以减少时钟的delay/skew，可实现时钟倍频。•内部具有low-skew的时钟分配树（clockdistributiontrees）快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina4.灵活的互连特性•FastTrack互连，连续布线结构，可以实现快速、可预测的互连延时•对算术运算具有专用的进位链（carrychain），例如，快速加法器、计数器、比较器，由软件工具或逻辑宏自动使用。•高效实现高速、多输入逻辑函数的专用级联链（cascadechain）•三态模拟可以实现内部三态总线•6个全局时钟信号、4个全局清零信号5．I/O脚功能强•对每个I/O脚可以独立控制三态输出使能•每个I/O脚可以选择Open-drain输出•可编程输出摆率控制，以减小开关噪声•FLEX10KA设备支持带电插入hot-socketing•周遍的寄存器可以实现快速的setup以及clock-to-output延时快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina6.灵活的封装选择•各种封装，管脚84-600•与其它具有相同封装的FLEX10K设备管脚兼容•FineLineBGA封装7.Quartusii软件支持软件设计和自动布局布线（placeandroute）8.借助EDIF200和EDIF300网表、参数模型库（LPM）、VerilogHDL和VHDL，Quartusii能与Cadence、ExemplerLogic、MentorGraphics、OrCAD、Synopsys、Synplicity、VeriBest和Viewlogic等公司的其它多种EDA工具接口。快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina4-3FLEX10K器件特性对比1．FLEX10K设备特性对比快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina5V3.3VEPF10K10EPF10K10AEPF10K30EPF10K30AEPF10K70EPF10K100EPF10K100AEPF10K250A可用门数10,00030,00070,000100,000250,000LEs5761,72837744,99212,160LABs722164686241,520EABs3691220RAMbit6,14412,2881843224,57640,960最大用户I/Opin150246358406470快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina2．速度指标（FLEX10K、10KA）速度指标-1-2-3-416bitloadable计数器20416612595MHz16bit累加器20416612595MHz16-to-1选择4.25.86.07.0ns256×8RAM读17214510884MHz256×8RAM写106896863MHz单位快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina4-4FLEX10K结构模块•FLEX10K结构组成：9嵌入式阵列（EmbeddedArray）、9逻辑阵列（LogicArray）、9快速互连通道FastTrack、9I/O单元。•嵌入式阵列用来实现RAM或一些特殊逻辑功能，•逻辑阵列用来实现普通逻辑。快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina1．嵌入式阵列块EAB•嵌入式阵列被用来实现各种存储器功能或其它复杂逻辑功能，例如，数字信号处理器、微控制器、数据传输功能等。•嵌入式阵列由许多嵌入阵列块EAB（EmbeddedArrayBlock）组成。•当嵌入式阵列用来实现MEMORY功能时，每一个EAB可以提供2048个bit，这些位可以用作RAM、ROM、双端口RAM、或FIFO等。•当嵌入式阵列用来实现复杂逻辑功能时（DSP、微控制器、状态机、乘法器等），每个EAB可以提供100-600个逻辑门。•EAB可以单个使用，也可以多个EAB组合在一起实现更大的功能。快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina2.逻辑阵列LAB•逻辑阵列是用来实现一些普通逻辑功能，例如，计数器、加法器、状态机、多路选择器等。•每个LAB由8个逻辑单元LE（LogicElement）以及它们之间的进位和级连链、LAB控制信号、和一个局部互连线（localinterconnect）组成。快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina逻辑单元LE•逻辑单元LE是FLEX10K结构中的最小逻辑单位。•每个LE包含一个4输入LUT、一个带有同步使能的可编程触发器、一个进位链、一个级连链。•LUT是一个函数发生器，它可以快速计算4变量的任意函数。•每个LE驱动局部互连线以及FastTrack互连线。快电子学实验室宋克柱[e-mail]中国科学技术大学UniversityofSci.&Tech.ofChina快电子学实验室宋克柱FastE