FPGA芯片架構設計與實現 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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餘樂 著

圖書標籤:

• FPGA
• 芯片架構
• 數字電路
• Verilog
• VHDL
• 硬件設計
• 可編程邏輯
• 嵌入式係統
• 電子工程
• 集成電路

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121306105

版次：1

商品編碼：12129575

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2017-07-01

用紙：膠版紙

頁數：344

字數：550000

正文語種：中文

內容簡介

　　

可編程通用邏輯門陣列芯片簡稱FPGA，與CPU，DSP並列為三大通用數字處理芯片，廣泛應用於通信、航空航天、醫療、國防軍工以及安防視頻監控等領域。通過本書的學習，讀者可以全麵瞭解一顆FPGA芯片從設計、驗證到流片的全部開發過程。 本書共分10章，采取“總―分”的編排方式。第1章從架構的總體設計入題對FPGA進行介紹。第2~10章，分彆對其中的各個重要模塊逐一介紹，包括：時鍾網絡、電源/地綫網絡和漏電流、可編程邏輯單元、可編程I/O模塊、DDR存儲器接口、數字延時鎖定環、連綫連接盒、互連綫段長度分布以及配置模塊。 本書適閤從事集成電路設計的資深工程師、微電子專業高年級研究生以及從事微電子專業教學研究的教師和科研人員閱讀。本書還可以作為高等院校教授集成電路設計的輔助資料。

作者簡介

申請人於2009年3月至2012年8月在中科院電子所可編程芯片與係統研究室攻讀博士學位，從事下一代SOC FPGA的關鍵集成技術研究。博士課題來源於中科院/國傢外專局的創新團隊國際閤作夥伴計劃"片上可編程係統前沿技術研究”。博士畢業獲微電子與固體電子學博士學位。同年，以申請人博士論文為基礎，幫助實驗室申請瞭國傢自然科學基金麵上項目"基於TSV互連的三維FPGA架構及關鍵技術研究”。2012年博士畢業後，選擇留所繼續從事博士後研究工作，並作為國自基金項目的實際負責人，管理項目的整體推進，指導學生完成瞭2篇論文的投稿。博士後期間，參與瞭兩款FPGA芯片的研製工作，分彆是0.13um 百萬門級FPGA（中科院重點方嚮性項目）和40nm FPGA-ip核（國傢重大專項）。2015年博士後齣站，齣站報告"FPGA時鍾分布網絡研究”從延時、麵積、功耗、靈活性以及熱性能等多方麵，對FPGA的關鍵架構技術進行瞭研究。

目錄

第1 章 FPGA 架構總體設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．1 FPGA 芯片研製流程?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．2 FPGA 架構設計流程?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7
1．3 FPGA 規模和資源劃分 ????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
1．4 FPGA 中功能模塊劃分 ????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 26
第2 章 FPGA 中時鍾網絡 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30
2．1 簡介 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30
2．2 FPGA CDN 建模 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33
2．3 時鍾網絡設計方法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 43
2．4 時鍾網絡的靈活性 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 48
2．5 路由級聯 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 51
2．6 仿真實驗 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 55
2．7 時鍾網絡熱學建模 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 61
2．8 仿真實驗 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 62
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 66
第3 章 FPGA 中電源/地綫網絡和漏電流 ??????????????????????????????????????????????????????? 68
3．1 電源/地綫網絡 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68
3．2 IR-DROP 分析與優化 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 71
3．3 漏電流組成 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 73
3．4 降低漏電流的方法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 74
3．5 基於VIA 分布的IR-DROP 分析 ??????????????????????????????????????????????????????????? 77
3．6 仿真實驗 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 81
3．7 不均勻測試點的IR-DROP 求解 ??????????????????????????????????????????????????????????? 87
3．8 FPGA 電源網絡IR-DROP 分析 ???????????????????????????????????????????????????????????? 89
本章參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 94
第4 章 FPGA 中可編程邏輯單元 ????????????????????????????????????????????????????????????????? 98
4．1 基於多路選擇器的邏輯單元 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 98
4．2 基於四輸入LUT 的可編程邏輯單元的設計 ?????????????????????????????????????????? 102
4．3 LUT 的模型與實現 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 103
4．4 LUT 的輸入數目K 的確定 ??????????????????????????????????????????????????????????????? 106
4．5 進位邏輯 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 109
4．6 基於查找錶結構的FPGA 的不足 ??????????????????????????????????????????????????????? 115
4．7 AIC 結構邏輯簇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 117
4．8 基於AIC 結構FPGA 的邏輯簇 ????????????????????????????????????????????????????????? 120
4．9 麵嚮AIC 的映射工具及結構評估平颱 ???????????????????????????????????????????????? 124
4．10 結構特徵匹配的AIC 簇互連優化 ???????????????????????????????????????????????????? 125
4．11 仿真分析和比較 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 131
本章參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 133
第5 章 FPGA 中可編程I/O 模塊 ????????????????????????????????????????????????????????????????? 136
5．1 可編程I/O 係統結構 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 136
5．2 IOE 中的可編程輸入緩衝器設計 ??????????????????????????????????????????????????????? 138
5．3 IOE 中的可編程輸齣緩衝器設計 ??????????????????????????????????????????????????????? 144
5．4 可編程I/O 的後端版圖設計?????????????????????????????????????????????????????????????? 156
5．5 高可靠I/O 模塊的後端版圖與測試 ????????????????????????????????????????????????????? 166
5．6 可編程I/O 的供電策略 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 172
5．7 全芯片IO 的ESD 技術 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 173
本章參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 179
第6 章 FPGA 中DDR 存儲器接口 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 182
6．1 DDR SDRAM 芯片的工作原理 ?????????????????????????????????????????????????????????? 182
6．2 FPGA 芯片中DDR 存儲器接口係統設計 ????????????????????????????????????????????? 184
6．3 DDR 存儲器接口控製器的設計和驗證 ???????????????????????????????????????????????? 191
6．4 延時鎖相技術 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 194
6．5 延時鎖定環電路的分析與對比 ?????????????????????????????????????????????????????????? 196
6．6 數字延時鎖定環電路的性能分析與優化 ?????????????????????????????????????????????? 201
6．7 延時鎖定環綫性模型與穩定性分析 ???????????????????????????????????????????????????? 205
本章參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 209
第7 章 FPGA 中數字延時鎖定環 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 213
7．1 實現相移的全數字延遲鎖定環 ?????????????????????????????????????????????????????????? 213
7．2 數字控製延時鏈 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 215
7．3 時間數字轉換器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 220
7．4 雙嚮移位計數器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 221
7．5 鑒相器與鎖定邏輯 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 222
7．6 延遲鎖定環的版圖設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 224
7．7 延遲鎖定環環路的仿真 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 224
7．8 芯片的物理實現與測試平颱 ????????????????????????????????????????????????????????????? 225
7．9 DDR 接口的數據通路的測試驗證 ?????????????????????????????????????????????????????? 227
7．10 數字延時鎖定環的測試 ????????????????????????????????????????????????????????????????? 229
7．11 數字占空比矯正電路的測試 ???????????????????????????????????????????????????????????? 232
本章參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 234
第8 章 FPGA 中連綫連接盒 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 236
8．1 引言 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 236
8．2 問題分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 237
8．3 利用模擬退火算法優化CB 拓撲結構 ?????????????????????????????????????????????????? 241
8．4 實驗及結果分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 246
8．5 連綫開關盒的電路結構設計方法 ??????????????????????????????????????????????????????? 251
本章參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 259
第9 章 FPGA 中互連綫段長度分布 ????????????????????????????????????????????????????????????? 261
9．1 所提優化方法的基本思路 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 261
9．2 以麵積延時積最小為目標的優化 ??????????????????????????????????????????????????????? 265
9．3 針對所提優化方法的討論 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 268
9．4 設計實驗 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 269
9．5 FPGA 芯片的設計實現 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 270
9．6 芯片的測試準備 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 272
本章參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 275
第10 章 FPGA 中的配置模塊 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 277
10．1 配置係統的基本組成及特點 ???????????????????????????????????????????????????????????? 277
10．2 配置係統的功能需求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 279
10．3 配置係統的硬件結構分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 281
10．4 配置碼流協議的結構及其對配置係統的影響 ??????????????????????????????????????? 286
10．5 配置係統總體框架 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 292
10．6 配置碼流協議的設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 297
10．7 配置係統的電路設計與實現 ???????????????????????????????????????????????????????????? 300
10．8 配置係統采用的驗證工具與方法 ?????????????????????????????????????????????????????? 305
10．9 配置係統的驗證方案與功能點的抽取 ???????????????????????????????????????????????? 310
10．10 配置係統功能驗證平颱的設計 ??????????????????????????????????????????????????????? 312
10．11 配置係統驗證結果 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 319
本章參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 324

前言/序言

前 言

2006 年9 月在北航攻讀集成電路設計專業碩士開始，至2015 年4 月從中科院電子所微電子與固體電子學博士後齣站，恍惚間，從事集成電路相關的設計和研究工作已經十年瞭。這十年也正是中國半導體行業，更確切地講，是集成電路設計行業飛速發展的十年。

記得剛讀碩士時，接觸到人生第一塊FPGA 開發闆，用的是Xilinx 公司的Spartan3係列。從點亮第一個跑馬燈例子的興奮，到一步一步跟著JPEG 解碼設計小組完成逐個模塊的設計，驗證和調試。阻塞賦值與非阻塞賦值，競爭與冒險，建立和保持時間等等……，看著一個個小知識點被融入到自己的設計中，成就感油然而生。就這樣，調試正確時的興奮和無法找到Bug 時的煎熬，交織在每一個奮力調試的夜晚。畢業後，進入瞭一傢日資的集成電路設計公司，開始瞭全職從事專用芯片的設計和驗證工作。期間，我意識到代碼設計僅僅占到整個開發過程的一小部分，係統規劃、設計流程和文檔規範性對開發工作而言纔是重中之重。在日資公司的這一年，我完成瞭數個模塊級的設計和一個全芯片係統級驗證工作，積纍瞭豐富的實戰經驗，也是我職業發展的起點。

此後，在中科院電子所攻讀博士學位和博士後的六年，一直從事FPGA 芯片的設計與研製工作，並有幸加入國內從事FPGA 芯片設計最頂尖的團隊——可編程芯片與係統研究室。從芯核組、IO 組再到産品組，我對於如何設計一顆好的芯片的理解也在逐步加深。

所謂不忘初心，方得始終。雖然現在我已經離開瞭中科院係統，進入瞭大學任教。在成書過程中，以前可編程芯片與係統研究室的各位同事都給瞭我很多幫助，其中，孫嘉斌、李威、王一、黃誌紅、張甲、陳柱佳、舒毅的設計和仿真實驗是構成本書的基礎，非常感謝他們無私的幫助。感謝我的導師楊海鋼研究員，他一直以努力工作的實際行動給我以最有力的鼓勵和鞭策，使我不能懈怠。

目前，市麵上關於FPGA的書都是基於FPGA的應用設計方麵的介紹，而關於FPGA芯片設計的書籍尚未齣版，本書的齣版恰好填補瞭這項空白。

本書基於集成電路的全定製與自動化混閤設計流程，係統的剖析瞭一顆FPGA 芯片從架構規劃、模塊設計、係統驗證、流片到封裝與測試的全過程，並對其中的核心模塊詳述瞭電路級設計與實現方法。全書共分10 章，其中第1 章闡述FPGA 架構的總體設計；從第2 章開始分類介紹各種核心模塊的設計、仿真和驗證過程等。在成書的過程中，感謝電子工業齣版社和本書的責任編輯大力支持，本書纔得以

與廣大讀者見麵。此書錯誤疏漏之處懇請廣大讀者批評指正。同時也歡迎大傢就FPGA 芯片的開發

與設計相關技術與作者交流。

餘樂

2016 年12月

於北京

評分☆☆☆☆☆

很好很強大！

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書連包裝都沒有，書角都皺瞭，不是新書，感覺跟舊的一樣

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好！

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好！

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