基于SRAM編程技術(shù)的PLD核心可重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要：CPLD相對于FPGA更適合實現(xiàn)時序邏輯較少而組合邏輯相對復(fù)雜的功能，比如復(fù)雜的狀態(tài)機和譯碼電路等。CPLD的EEPROM編程技術(shù)不適合動態(tài)可重構(gòu)的應(yīng)用。本文針對 CPLD的核心可編程結(jié)構(gòu)：P-Term和可編程互連線，采用2.5V、0.25μmCMOS工藝設(shè)計了功能相近的基于SRAM編程技術(shù)的可重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)。新的電路結(jié)構(gòu)可以通過可編程方式有效控制功耗和速度的折衷，并且相對于傳統(tǒng)的CPLD互聯(lián)結(jié)構(gòu)減少了50%的編程數(shù)據(jù)。在動態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)中，采用上述新結(jié)構(gòu)的PLD相對于FPGA可以更有效地實現(xiàn)可重構(gòu)的復(fù)雜狀態(tài)機和譯碼電路等應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：CPLD；FPGA；P-Term；可編程互連線；可重構(gòu)技術(shù)

八十年代中期，高密度可編程邏輯器件(Programmable Logic Device，簡稱PLD)的出現(xiàn)開辟了一種數(shù)字邏輯電路實現(xiàn)的新方式。高密度的PLD可以分成兩大類：復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，簡稱CPLD)和現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable GateArray，簡稱FPGA)，主要基于三種編程技術(shù)：有限編程次數(shù)(一般數(shù)百次到上萬次)的EEPROM(電可擦除只讀存儲器)、無限編程次數(shù)的 SRAM(靜態(tài)隨機存儲器)和僅可編程一次的Antifuse(反熔絲)。當(dāng)前，主流的CPLD都是采用基于EEPROM的乘積項(Product Term，簡稱P-Term)結(jié)構(gòu)，而主流的FPGA則采用基于SRAM的查找表(Look-up Table，簡稱LUT)結(jié)構(gòu)和基于Antifuse的多路開關(guān)單元結(jié)構(gòu)。其中，基于SRAM的FPGA由于可以在系統(tǒng)中重構(gòu)甚至動態(tài)重構(gòu)，所以應(yīng)用靈活性最大。

近十年來興起的可重構(gòu)技術(shù)起源于FPGA可編程結(jié)構(gòu)的思想。該技術(shù)在應(yīng)用中可以獲得很好的速度和靈活性之間的折衷，填補了傳統(tǒng)的軟、硬件應(yīng)用實現(xiàn)方案之間的空白?？芍貥?gòu)技術(shù)是指利用具有硬件可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的電路構(gòu)建系統(tǒng)來滿足較寬范圍應(yīng)用的實現(xiàn)技術(shù)。采用FPGA作為重構(gòu)系統(tǒng)的核心既可以大大縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，又可以獲得很高的靈活性以節(jié)約資源。FPGA中含有大量的觸發(fā)器(多達(dá)上千個)和結(jié)構(gòu)靈活的LUT，適合實現(xiàn)細(xì)顆粒度的且基于流水線的通用計算。對于可重構(gòu)多總線控制和網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包相關(guān)的不同協(xié)議處理等應(yīng)用，需要時時變換的譯碼和控制。重構(gòu)系統(tǒng)在完成上述應(yīng)用時，需要可以動態(tài)重構(gòu)的復(fù)雜狀態(tài)機和譯碼電路。由于這些電路中組合邏輯復(fù)雜且輸入數(shù)目大而觸發(fā)器很少，因此，用FPGA實現(xiàn)會造成單元中觸發(fā)器大量浪費，而且利用多個LUT的級連實現(xiàn)大輸入的組合邏輯，會使性能大大降低，難以滿足速度上的要求。

CPLD的結(jié)構(gòu)非常適于實現(xiàn)上述邏輯功能。但是，CPLD的EEPROM編程速度低且編程次數(shù)有限又不適合要求快速頻繁重構(gòu)的動態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用。

顯然，設(shè)計基于SRAM編程技術(shù)的CPLD可以很好解決上述應(yīng)用問題。CPLD的設(shè)計和實現(xiàn)的關(guān)鍵問題是核心可編程電路結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。因此，本文主要探討針對CPLD的核心可編程結(jié)構(gòu)，如何設(shè)計具有相似功能且基于SRAM編程技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)，從而更好滿足動態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)中實現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)機和譯碼電路的應(yīng)用。

CPLD的核心可編程結(jié)構(gòu)介紹

CPLD由若干宏單元和可編程互連線構(gòu)成。每個宏單元包括5個乘積項、1個異或門、1個5輸入或門和1個觸發(fā)器。乘積項是宏單元的核心可編程結(jié)構(gòu)，可以靈活實現(xiàn)大輸入數(shù)目寬與門功能。如圖1a所示，P-Term是一個由EEPROM晶體管構(gòu)成的陣列。該陣列中每個EEPROM晶體管相當(dāng)于一個可編程開關(guān)，編程之后，處于“開”狀態(tài)的EEP2ROM晶體管同普通晶體管一樣，受柵極輸入控制充當(dāng)寬與門的下拉開關(guān)，而處于“關(guān)”狀態(tài)的EEP2ROM晶體管是斷路，柵極的輸入對寬與門無貢獻(xiàn)。這樣，P-Term所實現(xiàn)的邏輯功能可由式(1)給出：

(a)　基于EEPROM的可編程寬與門結(jié)構(gòu)

(b)　MAX7000中的PIA可編程結(jié)構(gòu)

圖1　電路結(jié)構(gòu)圖

式(1)中，C₁～C_n對應(yīng)圖1(a)中的n個EEPROM晶體管編程后所處的狀態(tài)。當(dāng)?shù)趇(i=1～n)個位置的EEPROM晶體管開時，C_i為0，反之，C_i為1。當(dāng)前，主流的CPLD全部采用這種結(jié)構(gòu)，比如Altera公司的MAX7000系列和MAX9000系列、Xilinx公司的XC9500系列以及Lattice公司的ispLSI系列等。

可編程互連線是CPLD中另一個核心可編程結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是包含大量可編程開關(guān)的互連網(wǎng)絡(luò)，提供芯片的I/O引腳和宏單元的輸入輸出之間的靈活互連。具有固定的延時是CPLD中可編程互連線的最顯著特點。不同于FPGA的分段式可編程互連方式，CPLD結(jié)構(gòu)采用全局式的可編程互連網(wǎng)絡(luò)來集中分配互連線資源，這樣可以使連線路徑的起點到終點延時固定。而FPGA中連線路徑的起點到終點之間經(jīng)過的分段連線數(shù)目不固定，因此延時也是不固定的。相比之下，CPLD在實現(xiàn)較復(fù)雜的組合邏輯時可以消除信號之間的歪斜，更容易消除競爭冒險現(xiàn)象。目前，主流的CPLD全部采用連續(xù)式互連線結(jié)構(gòu)，比如MAX7000中的PIA 結(jié)構(gòu)和XC9500中的FastCONNECT結(jié)構(gòu)。圖1(b)給出了MAX7000中PIA的邏輯結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，每個編程節(jié)點的EEPROM晶體管控制2輸入與門的1個輸入端來決定另一輸入端信號的取舍。

綜上所述，CPLD的核心可編程結(jié)構(gòu)是P-Term和具有固定延時的可編程互連線結(jié)構(gòu)。

基于SRAM編程技術(shù)的PLD電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對CPLD的核心可編程結(jié)構(gòu)――P-Term和具有固定延時的可編程互連線，設(shè)計了基于SRAM編程技術(shù)的新電路結(jié)構(gòu)，下面做詳細(xì)介紹。

SRAM編程單元的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于SRAM的編程技術(shù)是將PLD的每一位配置數(shù)據(jù)相應(yīng)存儲在SRAM單元中。如圖2a所示，


(a)　SRAM編程單元結(jié)構(gòu)

(b)　SRAM單元的Hspice仿真結(jié)果

圖2　電路結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果圖

本設(shè)計采用5管單元的SRAM結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由2個CMOS反向器組成環(huán)路形成雙穩(wěn)態(tài)。不同于普通的SRAM，PLD的SRAM編程單元不需要讀出功能，僅需寫入的字線和位線。圖2(a)中的輸出信號Q和Q_n直接控制晶體管開或關(guān)來完成可編程的功能。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵之處在于選擇適當(dāng)?shù)木w管尺寸以保證當(dāng)字線選通位線時，data信號的正常邏輯值可以改變單元的狀態(tài)。因此，本設(shè)計確定字線控制的晶體管和反向器A具有較強的驅(qū)動能力，而反向器B的驅(qū)動能力較弱，適當(dāng)調(diào)節(jié)晶體管的寬長比，以保證編程數(shù)據(jù)的快速寫入。圖2(b)給出了本設(shè)計中SRAM單元的Hspice仿真結(jié)果(基于2.5V、0.25μmCMOS工藝庫的模型參數(shù)，后面的仿真結(jié)果都是基于這個工藝庫)，圖中a和b兩條曲線分別代表信號Q和Q_n。圖2(b)中的(1)和(2)圖分別表示Q和Q_n在寫入高電平(單元中存儲的是低電平)和低電平(單元中存儲的是高電平)時的變化情況。從圖中可以看出，寫入的最大延時約為650ps，發(fā)生在寫入高電平時。這樣，該結(jié)構(gòu)完全可以滿足高速重構(gòu)的配置速度要求。

基于SRAM編程技術(shù)的P-Term電路結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于SRAM的P-Term結(jié)構(gòu)的設(shè)計核心是可編程寬與門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)式(1)功能的結(jié)構(gòu)。理論上，實現(xiàn)式(1)功能的結(jié)構(gòu)有很多，比如采用靜態(tài)CMOS邏輯門或傳輸門構(gòu)成的邏輯，但是P-Term的輸入數(shù)目巨大，可達(dá)88個輸入，這樣，采用上述結(jié)構(gòu)在電路面積和性能上根本無法接受。而采用類NMOS電路結(jié)構(gòu)在面積和性能上可以獲得很好的效果，但是這種電路在輸出低電平時存在電源到地的直流通路，存在靜態(tài)功耗，而且輸出低電平不是0，而決定于上拉和下拉倒通電阻的分壓比。可見，這種電路的設(shè)計重點在于上拉結(jié)構(gòu)的設(shè)計。本文設(shè)計的基于SRAM的可編程寬與門電路結(jié)構(gòu)就是以類NMOS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，采用可編程上拉結(jié)構(gòu)控制功耗和性能的折衷。

本文設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，輸入個數(shù)n=88。采用NMOS晶體管構(gòu)成下拉網(wǎng)絡(luò)，對應(yīng)每一個輸入的下拉結(jié)構(gòu)是輸入控制的NMOS管串聯(lián)SRAM 控制的NMOS管。SRAM中的編程數(shù)據(jù)控制對應(yīng)晶體管的開關(guān)來決定相應(yīng)的與門輸入的取舍。輸出采用2個反向器構(gòu)成緩沖，解決類NMOS電路輸出低電平不是0的問題。可編程的上拉結(jié)構(gòu)由a、b、c三個PMOS管并聯(lián)構(gòu)成，其中PMOS管c常通，a和b受SRAM編程控制開或關(guān)。這樣，該結(jié)構(gòu)在SRAMa和 SRAMb的編程控制下，具有三種不同的速度和功耗模式：高速高功耗(PMOS管a和b都通)、中速而功耗中等(a通而b不通)和低速低功耗(a、b都不通)。由于三個PMOS管的導(dǎo)通電阻要比下拉NMOS管的大很多，本結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵路徑是圖中虛線表示的高電平充電路徑。

在上述三種工作模式下，關(guān)鍵路徑的Hspice仿真結(jié)果如圖3(b)所示，其中(1)、(2)和(3)圖分別表示三種模式下，輸入信號由高電平到低電平的變化導(dǎo)致輸出Pout由低電平到高電平的變化情況，曲線a為輸入信號，b為輸出信號Pout。在高速模式下，關(guān)鍵路徑延時約為1 .2ns，但電源到地的靜態(tài)電流也達(dá)到了56μA；在中速模式下，關(guān)鍵路徑延時約為2.2ns，靜態(tài)電流為29μA；在低功耗模式下，關(guān)鍵路徑延時約為 4ns，靜態(tài)電流僅為14μA。

(a)　基于SRAM的可編程寬與門電路結(jié)構(gòu)

(b)　寬與門關(guān)鍵路徑的Hspice仿真結(jié)果

圖3　電路結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果圖

基于SRAM編程技術(shù)的可編程互連線電路結(jié)構(gòu)設(shè)計
CPLD中可編程互連線的作用是集中分配輸入信號以固定延時輸出到宏單元的輸入端(P- Term的輸入端)。本文所設(shè)計的可編程互連線是由結(jié)構(gòu)完全相同的可編程連線單元組成的二維陣列?？删幊踢B線單元之間不存在互連關(guān)系，每個單元的輸入信號直接來自于輸入總線，輸出信號直接到宏單元，這樣可以保證延時固定。因此，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計實質(zhì)上是可編程連線單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本文設(shè)計的基于SRAM的可編程連線單元結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。該結(jié)構(gòu)的作用是在8條輸入線中選擇1條或者都不選而僅選擇低電平輸出，然后將選擇的輸出變成正反兩個信號輸出到宏單元中P-Term的輸入端。核心結(jié)構(gòu)是SRAM控制的多路選擇器，其中的SRAM編程控制位SRAM1～SRAM3

(a)　基于SRAM的可編程互連單元電路結(jié)構(gòu)

(b)　可編程互連單元關(guān)鍵路徑的Hspice仿真結(jié)果

圖4　電路結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果圖

控制多路選擇器實現(xiàn)8選1的連線狀態(tài)，而SRAM4控制開關(guān)管實現(xiàn)輸出低電平。本設(shè)計僅用單NMOS管構(gòu)成多路選擇器，相對于采用傳輸門的情況，每個開關(guān)減少了1個晶體管。但是，NMOS傳送高電平存在閾值損耗，因此，在選擇適當(dāng)晶體管尺寸的同時，在第3、4級開關(guān)處分別加了反向器A和B，保證輸出高電平的幅值和足夠的驅(qū)動能力。可編程互連線延時對PLD的速度起決定性作用。圖4 (a)中的虛線是本結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵路徑，圖4(b)給出了關(guān)鍵路徑的Hspice仿真結(jié)果，(1)和(2)圖分別為輸入信號上升和下降引起輸出的變化情況， a、b和c三條曲線分別表示輸入總線信號、輸出的正反信號OUT和OUTn。仿真結(jié)果表明，本結(jié)構(gòu)的最大延時僅為300ps。

特別指出，本結(jié)構(gòu)僅用了4bitSRAM編程就實現(xiàn)了MAX7000的PIA單元中1組開關(guān)的功能，而圖1(b)中的結(jié)構(gòu)需要8bitEEPROM。這樣，本結(jié)構(gòu)同基于EEPROM的結(jié)構(gòu)相比，減少了4bit編程數(shù)據(jù)，從而使基于本結(jié)構(gòu)的可編程互連線的編程數(shù)據(jù)減少了50%。編程數(shù)據(jù)的減少，可以縮短器件配置的時間，提高在重構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用中動態(tài)重構(gòu)的效率。

結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)CPLD的核心可編程結(jié)構(gòu)――P-Term和可編程互連線，采用2.5V、0.25μmCMOS工藝設(shè)計了新的、基于SRAM的可重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中的P-Term結(jié)構(gòu)具有可編程的3種工作模式，可以根據(jù)需要獲得較好的速度和功耗折衷。基于SRAM的、延時固定的可編程互連線僅有 300ps的延時時間，可以獲得很高的速度，而且同基于EEPROM的互連線相比編程數(shù)據(jù)減少了50%，可獲得更短的配置時間，更適合動態(tài)重構(gòu)應(yīng)用。采用上述新結(jié)構(gòu)構(gòu)成的PLD比FPGA更適合在可重構(gòu)系統(tǒng)中實現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)機和譯碼電路。