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FPGA芯片APA150及其應(yīng)用
摘要：APA150是Actel公司推出的第二代基于Flash的可編程FPGA器件系列ProASIC Plus中的一種，非常適合替代ASIC用于航空、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)和通信市場(chǎng)。文章介紹了APA150的主要特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、主要性能參數(shù)，給出了APA150在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例。１ 概述
ＡＰＡ１５０是Ａｃｔｅｌ公司推出的第二代基于Ｆｌａｓｈ（閃存）的可編程ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）器件ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ系列中的一種。該系列器件兼具ＡＳＩＣ（專用集成電路）的性能和ＦＰＧＡ的靈活性于一身，因此，可非常經(jīng)濟(jì)地替代Ａ-ＳＩＣ用于航空、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)和通信市場(chǎng)。ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ系列產(chǎn)品的主要特點(diǎn)如下：
●系統(tǒng)內(nèi)可重復(fù)編程；
●非易失，采用０．２２μｍ標(biāo)準(zhǔn)ＣＭＯＳ工藝，內(nèi)置Ｆｌａｓｈ單元，具有安全的非易失代碼存儲(chǔ)功能，上電即可運(yùn)行，無(wú)需額外配置ＰＲＯＭ存儲(chǔ)器；
●高度保密，使用者可編程設(shè)置多位密鑰以阻止外界自行讀取或更改器件的配置；
●功耗低?芯片核心電壓為２．５Ｖ；
●具有與ＡＳＩＣ類似的精細(xì)顆粒架構(gòu)，支持流行的ＡＳＩＣ工具流程，因而可縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，便于轉(zhuǎn)換到ＡＳＩＣ。
２ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理
ＡＰＡ１５０主要由邏輯單元塊、嵌入式ＲＡＭ塊、Ｉ／Ｏ塊和可編程連線等幾個(gè)部分構(gòu)成，塊與塊之間用不同等級(jí)的連接線和Ｆｌａｓｈ開(kāi)關(guān)相連。
邏輯單元是ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ器件的基本組成單元，用以實(shí)現(xiàn)基本的邏輯功能。ＡＰＡ１５０內(nèi)部有６１４４個(gè)邏輯單元，每個(gè)邏輯單元有三個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。通過(guò)適當(dāng)編程配置Ｆｌａｓｈ開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，可將邏輯單元設(shè)置成為具有三個(gè)輸入的、除了異或功能之外的任意邏輯功能塊，例如與非門、具有清零或置位端的鎖存器或Ｄ觸發(fā)器等。多個(gè)邏輯單元互連還可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯功能。一般的復(fù)雜性和隨機(jī)性設(shè)計(jì)可在邏輯單元中實(shí)現(xiàn)，但為了提高硅片的利用率和器件的性能，一些較為復(fù)雜的功能應(yīng)通過(guò)內(nèi)嵌的隨機(jī)存儲(chǔ)單元來(lái)完成。
ＡＰＡ１５０內(nèi)嵌１６個(gè)共３６ｋｂｉｔｓ的ＲＡＭ塊（２５６×９），這些ＲＡＭ塊可以非常方便地實(shí)現(xiàn)一些規(guī)模不太大的ＦＩＦＯ、雙端口ＲＡＭ等功能。每個(gè)ＲＡＭ塊均包含如下３個(gè)部分：
（１）數(shù)據(jù)區(qū)；
（２）總線，包括９位輸入數(shù)據(jù)總線（第９位是奇偶極性位）、讀和寫各８位地址總線和輸出數(shù)據(jù)總線；
（３）讀／寫控制，讀和寫可以獨(dú)立編程配置為同步或異步工作方式，以適應(yīng)電路設(shè)計(jì)的靈活性和時(shí)序安排。
另外可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求級(jí)聯(lián)或堆疊多個(gè)ＲＡＭ塊，以得到更大的寬度或深度。因?yàn)檫@些片內(nèi)存儲(chǔ)器的讀、寫比片外ＲＡＭ快得多。
Ｉ／Ｏ塊主要用于提供管腳到內(nèi)部信號(hào)線的接口?并負(fù)責(zé)輸入輸出的電氣特性控制。通過(guò)編程配置Ｉ／Ｏ塊可使Ｉ／Ｏ管腳具有輸入、輸出、雙向緩沖或三態(tài)驅(qū)動(dòng)等功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示。將控制上拉電阻接到每個(gè)Ｉ／Ｏ管腳可以防止器件在非正常工作時(shí)管腳出現(xiàn)懸��；通過(guò)控制輸出信號(hào)的電壓擺率可滿足低噪聲或高轉(zhuǎn)換速度的要求。如將ＶＤＤＰ接到電源，那么，當(dāng)ＶＤＤＰ為２．５Ｖ時(shí)，輸入電壓或輸出高電平為２．５Ｖ；而當(dāng)ＶＤＤＰ為３．３Ｖ時(shí)，輸入電壓可為２．５Ｖ／３．３Ｖ，輸出電平則與２．５Ｖ或３．３Ｖ系統(tǒng)兼容。
ＡＰＡ１５０器件內(nèi)部遍布一系列四個(gè)級(jí)別水平和垂直的連接線：其中超高速本地線用于連接相鄰邏輯單元；有效長(zhǎng)線則可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和高扇出連接，其長(zhǎng)度可以跨越１、２或４個(gè)邏輯單元；另外，高速甚長(zhǎng)線常用于甚長(zhǎng)或甚高扇出連接，它可以跨越整個(gè)器件；高性能全局線常用以連接全局管腳到內(nèi)部的邏輯單元，如分配作時(shí)鐘、復(fù)位的管腳等。
諸多連接線與邏輯單元或其它塊的連接狀態(tài)由上電即可在系統(tǒng)內(nèi)編程的Ｆｌａｓｈ開(kāi)關(guān)來(lái)決定，其結(jié)構(gòu)如圖２所示。
其中，浮動(dòng)?xùn)诺淖饔檬峭ㄟ^(guò)充電或放電來(lái)設(shè)定連接兩個(gè)金屬線路之間的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由于可編程器件或開(kāi)關(guān)器件未發(fā)生任何物理變化，因此通過(guò)材料分析探測(cè)不到任何結(jié)果。發(fā)生變化的只有浮動(dòng)?xùn)诺碾娮訑?shù)，因此，基于Ｆｌａｓｈ的ＡＰＡ１５０ 比采用其它工藝（如反熔絲）的ＦＰＧＡ更難以反求和復(fù)制。
３ 管腳功能和主要參數(shù)
３．１ 管腳功能
ＡＰＡ１５０的封裝形式有１００腳ＴＱＦＰ（薄型四方扁平封裝）、２０８ 腳ＰＱＦＰ（塑料方型扁平式封裝）、４５６ 腳ＰＢＧＡ（塑料球柵陣列封裝）以及１４４、２５６腳ＦＢＧＡ（微間距球柵陣列）封裝等形式。使用時(shí)可根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇適當(dāng)?shù)姆庋b。下面以１００ 腳的ＴＱＦＰ為例介紹其管腳功能，具體如表１所列。
表1 APA150的管腳功能
管 腳 描 述
VDD17,37,68,89接2.5V，作為芯片電源VDDP26,39,40,76,87,100接2.5V或3.3V，作為I/O驅(qū)動(dòng)電壓I/O2～8,18～【FPGA芯片APA150及其應(yīng)用】相關(guān)文章：
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