PDF《电子器件》

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2 6 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目(

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9 7

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2 0 ) , 国家 自然科学基金重大研究项 目(

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1 2 ) . 作者简介 : 覃祥菊(

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8 0 一) , 女,硕士研究生 , 现在深圳大学 E D A中心从事动态可重构技术研究 , x i a u . q 抽@1

6 3 . e o m;

朱明程 , 男,教授 , 硕士生导师 , 深圳大学 E D A中心主任, z h u m c @s z u . e d u . c n . 维普资讯 http://www.cqvip.com

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8 电子器件第27卷 种典型动态可重构 F P G A ( D R―F P G A ) 内部结构作 了详细分析, 阐述 了动态可重构技术实现中的关键 问题 .

1 常规 F P G A的结构特点和资源利用 率缺 陷从FPGA的结构 来看,主要 有两种:一是基 于 反熔 丝技术的FPGA,二是基于SRAM编程的FP―GA.用反熔丝开关作基本元件,具有非易失性.编程完成后 , 即使撤除工作电压 , F P G A的配置数据 仍然保留, 不能重构.而基于 S R A M编程 的FPGA通过 阵列 中的SRAM单元对FPGA进 行编程. S R A M单元 由一个 R A M和一个 P I I ) 晶体管组成 , R A M中储着 P I P晶体管的通断信息 , 系统上电时, 这些信息码 由外部 电路写人到 F P G A内部 的RAM中,电源断开后,RAM中的数据将丢失.因此SRAM编程 型FPGA是 易失性的,每次重新加电, F P G A都要重组数据 .这一特点可以实现数据的静 态重载 , 即在一次加电完成 F P G A要 实现的功能 , 掉 电后可 以重新 下载新 的配置数据 , 用 以完 成不 同 的功能.这一特点成为 F P G A在许 多新领域获得 广泛应用的关键 , 并成为了可重构系统发展的持续 驱动力量 . 从FPGA的 内部集成 来看 , F P G A内部 由大量 的可编程逻辑块 ( C L B ) 、 输人输 出模块 ( I O B ) 和连 线(PI)组成 , 如图1所示.口可编程内部连线 P l 罾行可编程输人/ 输入块 I O B 口J绢程 逻辑块 C L B 图1常规 S R A M F P G A的 内部结构 连线 、 组成 C L B和IOB的门电路都有一定的带 宽限制 , 或者说都有一个必要 的操作 时间 f = 产.设F P G A内 部的门 单元数为Ⅳ , 门 单元 J n H 的必要操作时间为 f 一,理论上计算得到单位时 间 T内可操作的最大门单元数为 : , 、 F . = I J * N (

1 ) 按照公式(

1 ) 还可以计算 出单位时间内可操作的最 大 连线数 F . 门、转换 开关 和 连线 之间还有 一定的传 导延 迟 .为简化起见 , 假设 F P G A有 一个 最小的重用 时间f.,资源总数 为Ⅳ一,计算 F P G A的最大 资源利用率为 : c = (

2 ) -mi l l ― c / de 仅当时钟频率达到最大 =_ 一时,资源利 用率可达到最大 , 此时每个 门电路都发挥作用.而当FPGA为处理更深层 次的逻辑线路工作频率小 于此最大值 , 或器件有一段时间空闲时 , F P G A就没 有最大限度的发 挥作用.设时钟周 期tclk内有 Ⅳ~ 资源发挥作用, 资源利用率为:

1 2 , : ㈤ =一jJ由于 f l k >

f c y d . ,Ⅳ 因此利用率 低于最大值.当￡clk=4X￡ e / e l . , 即使所有的门单 元都被利用, 其利用率也只是最大值 c p e a k 的四 分之一.正是 由于常规 F P G A不能充分利用其时 间资源, 又具有可重构的 S R A M F P G A的结构特点 , 就引出动态可重构 F P G A器件的出现.

2 动态可重构 F P G A结构 及原理 所谓 F P G A动态可重构 技术 , 就是要对基 于SRAM编程技术 F P G A的全部或部分逻辑资源实现 在系统的动态 的功能变换 .动态可重构 F P G A则 是基于动态重构技术的一种可在系统实现动态配 置 的新 型FPGA芯片 .