可編程邏輯器件APEX20K的原理及應用

摘要：介紹了Altera公司生產的多核架構可編程邏輯器件APEX20K系列芯片的主要特點和結構功能，給出了APEX20K內含的ClockLock以及ClockBoost電路的典型應用實例。

關鍵詞：可編程邏輯器件 在系統(tǒng)設計 FPGA APEX20K

1 主要特點

APEX20K是Altera公司生產的首款帶有多核架構的可編程邏輯器件，密度在30 000到1 500 000門，時鐘速度高達822MHz。這種多核結構克服了必須用多個器件來實現(xiàn)系統(tǒng)級設計的麻煩，同時也節(jié)省了PCB板的空間。由于APEX20K具有功耗低、體積小、集成度高、速度快、費用低、用戶可定義功能及可重復編程和擦寫等許多優(yōu)點，因此，可廣泛應用于系統(tǒng)板級設計領域。APEX20K主要特點如下：

●是第一款帶有多核架構的可編程邏輯器件；

●內含嵌入式系統(tǒng)模塊，并可實現(xiàn)多種存儲器功能，其中包括先進先出存儲功能（FIFO）、雙口RAM、CAM（內容可尋址存儲器）；

●密度高，門數(shù)多，邏輯元素高達51840，RAM高達442368位，基于多核的乘積項高達3456，因此可以滿足系統(tǒng)級設計的高密度要求；

●功耗低，采用1.8V-2.5V電壓供電，并可與1.8V、2.5V、3.3V、5.0V供電的器件接口；

圖1

●帶有4個鎖相環(huán)電路，可提供時鐘鎖定、時鐘管理和時鐘移位功能，因此可以降低時鐘的延遲和抖動，并可以提供時鐘的1倍至60倍的倍頻與1到256的分頻，可編程時鐘相位和延遲相移；

●具有強大的I/O功能，與PCI SIG局部總線標準外設兼容，支持低壓差分信號（LVDS）、LVTTL、LVCMOS、GTL+、CTT、AGP、LVPECL、SSTL-3和SSTL-2及高速終端邏輯（HSTL Class I）；

●兼容64bit、64MHz PCI,支持PCI-X；

●支持高速外部存儲器，包括DDR SDRAM以及ZBT SRAM；

●可在多重電壓下工作，非常適合在混合電壓系統(tǒng)中使用；

●采用FineLine BGA封裝，減小了芯片的占用面積，同時具有更好的溫度特性；

●嵌入了SignalTap的邏輯分析儀，增強了芯片的功能驗證性能；

●支持Altera的QuartusTM II開發(fā)系統(tǒng)的自動布線功能。

2 功能描述

APEX20K系列器件將查找表邏輯和乘積項邏輯以及存儲器集成在一體。其4輸入查找表功能可實現(xiàn)復雜的數(shù)字信號處理功能，并可用乘積項實現(xiàn)高速控制邏輯和狀態(tài)機。APEX20K中每個IOE包含一個雙向I/O緩沖器和一個寄存器，IOE可以作為輸入管腳、輸出管腳和雙向管腳使用。圖1所示為APEX20K器件的結構框圖。APEX20K提供了2個專用的時鐘管腳和4個專用輸入管腳來驅動寄存器控制輸入，這些輸入信號可以產生高速低畸變的時鐘分布。它們使用專用的布線通道，延遲非常小。有4個專用信號用于驅動全局信號，這4個全局信號同時可以由內部邏輯驅動，以產生一個高扇出的異步清零信號。APEX20K器件系列同時提供有ClockLock、ColckBoost和Clockshift時鐘管理電路。

APEX20K系列器件由一系列的MegaLAB結構構成，每個MegaLAB結構包含16個邏輯陣列塊LABs、一個ESB和一個MegaLAB互連。每個LABs包含10個邏輯元素（LEs）、以及與LEs相關的進位鏈和層疊鏈。每個LE可以通過高速的局部互聯(lián)驅動另外29個LEs。每一個LE包含一個4輸入的查找表，另外，每一個LE又包含一個可編程寄存器和進位鏈以及層疊鏈。每一個LE驅動局部互連和MegaLAB互連以及FastTrack互聯(lián)布線結構。

APEX20K系列器件架構提供有進位鏈和層疊鏈2種類型的專用高速數(shù)據(jù)通道，可用來連接相鄰的LEs。這種連接不用局部互連通道，而只用進位鏈可執(zhí)行加法器、計數(shù)器和比較器（可被軟件工具和Mega功能自動使用），專用的層疊鏈可以執(zhí)行高速、高扇出邏輯功能。APEX20K系列的LE可以工作在如圖2所示的3種模式。

（1）正常工作模式

該模式利用其內部的層疊鏈，適用于通用邏輯的應用，組合功能或是寬帶解碼功能。在此模式下，來自LAB局部互連和進位輸入的四個數(shù)據(jù)輸入到四輸入LUT。

（2）算術模式

該模式適用于加法器、累加器和比較器的應用。在算術模式中，一個LE使用2個3輸入LUT。其中第一個LUT利用進位輸入信號及輸入數(shù)據(jù)產生一個組合輸出。第二個LUT利用該組合信號產生進位輸出，并以此形成進位鏈。

（3）計數(shù)模式

該模式可提供時鐘使能、計數(shù)使能、同步加/減控制、同步清零、同步加載選擇。同步清零和同步加載是LAB寬信號，其影響LAB的寄存器。因此，如果LAB中的任何一個工作在計數(shù)模式，LAB中其余的LEs被用作同一計數(shù)器的一部分或是復合功能。計數(shù)模式利用兩個三輸入LUTs，一個計數(shù)數(shù)據(jù)，另一個產生快速進位位。一個二選一復用器提供同步加載，另一個AND門提供異步清零。

所有的20K器件均可重新配置在特殊功能用途的板上。APEX20K可通過配置芯片EPC1、EPC2和EPC16以串行數(shù)據(jù)充方式進行在系統(tǒng)編程。所以，APEX20K包括一個可選接口，允許APEX20K微處理器以串行或并行、同步或異步方式配置芯片，因此，微處理器可將APEX20K看作存儲器，并可通過寫入虛擬內存來配置器件，而且配置十分容易。APEX20K器件配置完成后，便可通過重置器件來載入新數(shù)據(jù)。

3 應用舉例

APEX20K系列器件支持ClockLock和ColckBoost等時鐘管理功能，這些功能由PLL保證。ClockLock電路使用一個同步的PLL來減少器件內部的時鐘延遲和畸變。ColckBoost電路可以對時鐘進行倍頻。其內部帶有高速的時鐘分布樹，而且設計者不需要對時鐘分布樹進行設計和優(yōu)化。

在設計電路板時可使用低頻的信號來作為輸入時鐘，然后在片內通過倍頻將其變成高頻時鐘。因為使用低頻時鐘可以降低傳輸線干擾，簡化電路板的布局。APEX20K可進行2或4的倍頻，而APEX20KE可進行更復雜的倍頻。

3.1 倍頻電路的應用

在以微處理器為核心的應用中，系統(tǒng)的輸入時鐘頻率可以比系統(tǒng)中其余器件的時鐘頻率低。一個嵌入式微處理或其外圍電路可以以比I/O總線時鐘更快的速率運行。由于在嵌入式應用中，同步或計數(shù)時都需要快速時鐘，因此，APEX20K中的時鐘管理電路經(jīng)常用于對低頻總線時鐘進行倍頻，并可進行在系統(tǒng)開發(fā)。圖3為其在嵌入式應用中時鐘合成電路。

3.2 降低板上時鐘的延遲

利用APEX20KE系列器件的反饋引腳可以降低板上各個器件之間的時鐘畸變，用PLL功能可將反饋輸入端連接至CLK輸入端。PLL可在工作期間動態(tài)調整由于溫度或電壓變化引起的輸出變化。因此在進行電路板設計時，反饋輸入端的延遲應與所涉及的每個器件產生的延遲匹配。相同的延遲可確保同步的反饋輸入端與目標器件的同步，從而消除延遲。圖4是利用APEX20KE器件消除板上延遲的示意圖。

進行電路板布線設計時，應使從CLKLK-OUT1端至每個器件的路徑與反饋到CLKLK-FB1端的路徑相等。

4 結論

利用APEX20K先進的ClockLock和ClockBoost功能可以顯著提高系統(tǒng)的性能和設計靈活性。并可在器件內降低時鐘延遲和消除時鐘畸變。ClockBoost可以簡化電路板的設計，而且在器件內部可以執(zhí)行比輸入時鐘頻率高許多的邏輯運算。此外，APEX20KE系列器件還可以執(zhí)行m/(n)k)的倍頻，其中m和k的數(shù)值范圍為2～160，n范圍1～16。其具有的LVDS I/O接口和相位調整可以進行更復雜的時鐘合成處理。

APEX20K系列器件可以支持很多電壓標準，特別是LVDS的性能可以達到822M/s，且有很強的抵抗板級噪聲能力，功耗也非常低。采用LVDS作為I/O接口的解決方案正逐漸成為一種趨勢。因此，APEX20K系列器件會應用到越來越多的領域。