新一代CPLD及其應(yīng)用
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近年來，隨著集成芯片制造技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯器件（PLD）在速度和集成度兩方面得到了飛速提高。由于它具有功耗低、體積小、集成度高、速度快、開發(fā)周期短、費(fèi)用低、用戶可定義功能及可重復(fù)編程和擦寫等許多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，越來越多的電子系統(tǒng)開始采用可編程邏輯器件來實現(xiàn)數(shù)字信號處理，從而使通用DSP芯片難于完成的一些時序組合邏輯和某些簡單的大運(yùn)算量的數(shù)學(xué)計算得以實現(xiàn)。繼QuickLogic和XILINX分別開發(fā)了內(nèi)含嵌入式FIR core的CPLD之后，ALTERA公司又推出了新一代可編程邏輯器件Stratix系列，其性能完全滿足高速數(shù)字信號算是系統(tǒng)的設(shè)計要求。
1 Stratix系列器件的主要特性
同其它含有嵌入式FIR core的CPLD相比較，Stratix系列CPLD采用了1.5V內(nèi)核，0.13μm全銅工藝，由QuartusII 2.0以上版本軟件支持，可以重復(fù)編程，通過JTAG接口或者EPROM加載程序，內(nèi)部有DSP模塊、PLL、大帶寬高速I/O接口和大容量存儲模塊。主要內(nèi)部資源參見表1。
表1 Stratix器件內(nèi)部資源表
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高性能體系：Stratix系列器件的新結(jié)構(gòu)采用了DitrectDriveTM技術(shù)和快速連續(xù)MultiTrackTM互聯(lián)技術(shù)。MultiTrackTM互聯(lián)技術(shù)可以根據(jù)走線不同長度進(jìn)行優(yōu)化，改善內(nèi)部模塊之間的互聯(lián)性能。Altera公司特有的DirectDriveTM技術(shù)保證片內(nèi)所有的函數(shù)可以直接連接使用同一布線資源。這兩種技術(shù)與QuartusII 2.0以上版本軟件提供的LogicLock(tm)功能相結(jié)合，便于進(jìn)行模塊化設(shè)計，簡化了系統(tǒng)集成。Stratix系統(tǒng)器件片內(nèi)的全局和本地時鐘資源提供了多達(dá)40個獨(dú)立的系統(tǒng)時鐘，有利于實現(xiàn)最豐富的系統(tǒng)性能；全新的布線結(jié)構(gòu)，分為三種長度的行列布線，在保證延時可預(yù)測的同時，增加了布線的靈活性。
大容量存儲資源：Stratix器件中的TriMatrix存儲結(jié)構(gòu)具有高達(dá)10Mbit的RAM和高達(dá)12Tbps的峰值存儲帶；有三種不的嵌入存儲模塊類型，它們都具有混合寬度和混合時鐘模式嵌入移位寄存器功能，可用于多種不同的場合：
512bit M512模塊（512×1bit到32×18bit）：512位模塊加上校驗，可用于接口速率適配的FIFO。
4Kbit M4K模塊（4096×1bit到128×36bit）：4K位模塊加上校驗，可用于小型數(shù)據(jù)塊存儲和多通道I/O協(xié)議。
512Kbit MegaRAM模塊（64K×9bit到4K×144bit）：512K位RAM加上校驗，可用于存儲大型數(shù)據(jù)塊或者Nios TM嵌入式處理器軟核代碼等。
其中，4Kbit M4K模塊和512Kbit MegaRAM模塊支持完全的雙端口模式。所有存儲資源分布在整個器件中，設(shè)計者可根據(jù)設(shè)計的存儲器類型和容量大小，通過Altera Quartus II軟件的MegaFunction函數(shù)，靈活選擇不同參數(shù)，配置成特定存儲容量的RAM、DPRAM、FIFO等特殊模塊。
高帶寬DSP模塊：Stratix DSP模塊包括硬件乘法器、加法器、減法器、累加器和流水線寄存器。各個功能單元之間有專用的走線，具有針對Stratix器件內(nèi)部大量存儲器的專用存儲器結(jié)構(gòu)接口，因此通過優(yōu)化設(shè)計，DSP模塊可提供高達(dá)2.0GMACS的DSP性能，并且具有盡可能小的布線擁塞。
Altera Quartus II軟件的MegaFunction提供了多種DSP模塊操作模式。每一DSP模塊可針對不同的應(yīng)用，通過選擇合適的DSP模塊操作模式，實現(xiàn)8個9×9位乘法器、4個18×18位乘法器或一個36×36位乘法器。當(dāng)配置為36×36位乘法器模式時，DSP模式還可實現(xiàn)浮點(diǎn)算法。專用的乘法器電路支持帶符號和不帶符號乘法操作，并可在不帶來任何精度損失的情況下，動態(tài)地在兩種運(yùn)算之間切換。
Stratix器件的DSP模塊提供了高于DSP處理器的數(shù)據(jù)處理能力，并且更為靈活和經(jīng)濟(jì)。每一Stratix DSP模塊可提供多達(dá)8個運(yùn)行在250MHz的并行乘法器，數(shù)據(jù)吞吐能力高達(dá)2GMACS。最大的Stratix器件EP1S125包括28個DSP模塊，可完成高達(dá)224個并行乘法操作，并提供56GMACS的總線數(shù)據(jù)吞吐能力；而傳統(tǒng)的DSP處理器最多僅可同時進(jìn)行8個并行乘法操作，數(shù)據(jù)吞吐量也只有8.8GMACS。除了DSP模塊中的專用乘法器以外，還可利用邏輯單元（LE）實現(xiàn)乘法器和DSP功能。例如，可在Stratix器件中利用大約9600個邏輯單元實現(xiàn)一個256階FIR濾波器。Stratix系列的EP1S120包括大約
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