可编程逻辑器件APEX20K的原理及应用_EDAPLD论文
关键词：可编程逻辑器件 在系统设计 fpga apex20k
1 主要特点
apex20k是altera公司生产的首款带有多核架构的可编程逻辑器件，密度在30 000到1 500 000门，时钟速度高达822mhz。这种多核结构克服了必须用多个器件来实现系统级设计的麻烦，同时也节省了pcb板的空间。由于apex20k具有功耗低、体积小、集成度高、速度快、费用低、用户可定义功能及可重复编程和擦写等许多优点，因此，可广泛应用于系统板级设计领域。apex20k主要特点如下：
●是第一款带有多核架构的可编程逻辑器件；
●内含嵌入式系统模块，并可实现多种存储器功能，其中包括先进先出存储功能（fifo）、双口ram、cam（内容可寻址存储器）；
●密度高，门数多，逻辑元素高达51840，ram高达442368位，基于多核的乘积项高达3456，因此可以满足系统级设计的高密度要求；
●功耗低，采用1.8v-2.5v电压供电，并可与1.8v、2.5v、3.3v、5.0v供电的器件接口；
图1
●带有4个锁相环电路，可提供时钟锁定、时钟管理和时钟移位功能，因此可以降低时钟的延迟和抖动，并可以提供时钟的1倍至60倍的倍频与1到256的分频，可编程时钟相位和延迟相移；
●具有强大的i/o功能，与pci sig局部总线标准外设兼容，支持低压差分信号（lvds）、lvttl、lvcmos、gtl+、ctt、agp、lvpecl、sstl-3和sstl-2及高速终端逻辑（hstl class i）；
●兼容64bit、64mhz pci,支持pci-x；
●支持高速外部存储器，包括ddr sdram以及zbt sram；
●可在多重电压下工作，非常适合在混合电压系统中使用；
●采用fineline bga封装，减小了芯片的占用面积，同时具有更好的温度特性；
●嵌入了signaltap的逻辑分析仪，增强了芯片的功能验证性能；
●支持altera的quartustm ii开发系统的自动布线功能。
2 功能描述
apex20k系列器件将查找表逻辑和乘积项逻辑以及存储器集成在一体。其4输入查找表功能可实现复杂的数字信号处理功能，并可用乘积项实现高速控制逻辑和状态机。apex20k中每个ioe包含一个双向i/o缓冲器和一个寄存器，ioe可以作为输入管脚、输出管脚和双向管脚使用。图1所示为apex20k器件的结构框图。apex20k提供了2个专用的时钟管脚和4个专用输入管脚来驱动寄存器控制输入，这些输入信号可以产生高速低畸变的时钟分布。它们使用专用的布线通道，延迟非常小。有4个专用信号用于驱动全局信号，这4个全局信号同时可以由内部逻辑驱动，以产生一个高扇出的异步清零信号。apex20k器件系列同时提供有clocklock、colckboost和clockshift时钟管理电路。
apex20k系列器件由一系列的megalab结构构成，每个megalab结构包含16个逻辑阵列块labs、一个esb和一个megalab互连。每个labs包含10个逻辑元素（les）、以及与les相关的进位链和层叠链。每个le可以通过高速的局部互联驱动另外29个les。每一个le包含一个4输入的查找表，另外，每一个le又包含一个可编程寄存器和进位链以及层叠链。每一个le驱动局部互连和megalab互连以及fasttrack互联布线结构。
apex20k系列器件架构提供有进位链和层叠链2种类型的专用高速数据通道，可用来连接相邻的les。这种连接不用局部互连通道，而只用进位链可执行加法器、计数器和比较器（可被软件工具和mega功能自动使用），专用的层叠链可以执行高速、高扇出逻辑功能。apex20k系列的le可以工作在如图2所示的3种模式。
（1）正常工作模式
该模式利用其内部的层叠链，适用于通用逻辑的应用，组合功能或是宽带解码功能。在此模式下，来自lab局部互连和进位输入的四个数据输入到四输入lut。
（2）算术模式
该模式适用于加法器、累加器和比较器的应用。在算术模式中，一个le使用2个3输入lut。其中第一个lut利用进位输入信号及输入数据产生一个组合输出。第二个lut利用该组合信号产生进位输出，并以此形成进位链。
（3）计数模式
该模式可提供时钟使能、计数使能、同步加/减控制、同步清零、同步加载选择。同步清零和同步加载是lab宽信号，其影响lab的寄存器。因此，如果lab中的任何一个工作在计数模式，lab中其余的les被用作同一计数器的一部分或是复合功能。计数模式利用两个三输入luts，一个计数数据，另一个产生快速进位位。一个二选一复用器提供同步加载，另一个and门提供异步清零。
所有的20k器件均可重新配置在特殊功能用途的板上。apex20k可通过配置芯片epc1、epc2和epc16以串行数据充方式进行在系统编程。所以，apex20k包括一个可选接口，允许apex20k微处理器以串行或并行、同步或异步方式配置芯片，因此，微处理器可将apex20k看作存储器，并可通过写入虚拟内存来配置器件，而且配置十分容易。apex20k器件配置完成后，便可通过重置器件来载入新数据。
3 应用举例
apex20k系列器件支持clocklock和colckboost等时钟管理功能，这些功能由pll保证。clocklock电路使用一个同步的pll来减少器件内部的时钟延迟和畸变。colckboost电路可以对时钟进行倍频。其内部带有高速的时钟分布树，而且设计者不需要对时钟分布树进行设计和优化。
在设计电路板时可使用低频的信号来作为输入时钟，然后在片内通过倍频将其变成高频时钟。因为使用低频时钟可以降低传输线干扰，简化电路板的布局。apex20k可进行2或4的倍频，而apex20ke可进行更复杂的倍频。
3.1 倍频电路的应用
在以微处理器为核心的应用中，系统的输入时钟频率可以比系统中其余器件的时钟频率低。一个嵌入式微处理或其外围电路可以以比i/o总线时钟更快的速率运行。由于在嵌入式应用中，同步或计数时都需要快速时钟，因此，apex20k中的时钟管理电路经常用于对低频总线时钟进行倍频，并可进行在系统开发。图3为其在嵌入式应用中时钟合成电路。
3.2 降低板上时钟的延迟
利用apex20ke系列器件的反馈引脚可以降低板上各个器件之间的时钟畸变，用pll功能可将反馈输入端连接至clk输入端。pll可在工作期间动态调整由于温度或电压变化引起的输出变化。因此在进行电路板设计时，反馈输入端的延迟应与所涉及的每个器件产生的延迟匹配。相同的延迟可确保同步的反馈输入端与目标器件的同步，从而消除延迟。图4是利用apex20ke器件消除板上延迟的示意图。
进行电路板布线设计时，应使从clklk-out1端至每个器件的路径与反馈到clklk-fb1端的路径相等。
4 结论
利用apex20k先进的clocklock和clockboost功能可以显著提高系统的性能和设计灵活性。并可在器件内降低时钟延迟和消除时钟畸变。clockboost可以简化电路板的设计，而且在器件内部可以执行比输入时钟频率高许多的逻辑运算。此外，apex20ke系列器件还可以执行m/(n)×k)的倍频，其中m和k的数值范围为2～160，n范围1～16。其具有的lvds i/o接口和相位调整可以进行更复杂的时钟合成处理。
apex20k系列器件可以支持很多电压标准，特别是lvds的性能可以达到822m/s，且有很强的抵抗板级噪声能力，功耗也非常低。采用lvds作为i/o接口的解决方案正逐渐成为一种趋势。因此，apex20k系列器件会应用到越来越多的领域。