高速低功耗FPGA的應用設計
Actel公司是眾多FPGA生產(chǎn)廠家中的著名供應商，美國的火星探路者使用了該公司的FPGA，表明它具有優(yōu)異性能。
54SX系列FPGA是公司新一代產(chǎn)品，采用Actel專利的反熔絲技術制成。SX系列器件采用FastConnect與DirectConnect兩種創(chuàng)新的局部連線資源將邏輯塊連接在一起。一方面，這兩種連線為分段式連線資源，因而連接電容更小。分段結構還允許切斷未使用連線，進一步減小電容，連接電容的減小意味著功耗的降低；另一方面，該系列器件是在細顆粒的4輸入多路選擇器基本邏輯塊上構建的，并且具備有多個控制輸入，一個基本單元能實現(xiàn)所有5輸入邏輯功能，使大規(guī)模的邏輯映射更有效。這種細顆粒結構與大量分段式連線資源的結合，有助于在不降低性能的前提下減小功耗。
與其它FPGA廠家的產(chǎn)品相比，54SX系列器件還具有以下優(yōu)勢：
* 可靠性高：芯片內(nèi)部采用金屬-金屬反熔絲元件，編程后內(nèi)部連接為永久的反熔絲型連接，而反熔絲互連就象純金屬連接一樣，防靜電及電磁干擾；
* 功耗低：反熔絲結構消除了靜態(tài)存儲器互連開關的功耗，并且由于邏輯信息是永久性編程的，器件在通電序列中無需進行重構，信息的存儲與保持不消耗電流，從而減小靜態(tài)電流，降低功耗；
* 保密性好：采用多層邏輯單元，內(nèi)部邏輯易**。
以Actel FPGA實現(xiàn)的數(shù)字邏輯電路設計，必須采用先進的EDA（電子設計自動化）軟件,該類軟件一般包括兩部分：邏輯電路設計部分和FPGA布局布線器。本文邏輯電路設計工具主要采用的是ViewLogic公司(已更名為Innoveda公司——編者注)的WorkView Office軟件包和Actel公司的邏輯功能模塊產(chǎn)生器Actgen Macro Builder。布局布線器是Actel公司的Designer軟件。
WorkView Office軟件包集成了多種數(shù)字電路計算機輔助設計工具，包括電路原理圖輸入軟件ViewDraw、VHDL(超高速集成電路硬件設計描述語言）、仿真軟件SpeedWave、VHDL綜合工具FPGA Express、門級電路仿真工具ViewSim、信號波形與時序顯示工具ViewWaves、邏輯設計結果與FPGA布局布線器接口軟件EDIF Interface等幾部分。
Actgen Macro Builder主要功能是生成基于Actel元件庫的可參數(shù)化的常用邏輯模塊，例如，計數(shù)器、寄存器、加法器、比較器等等。這些功能模塊可在ViewDraw中實例化，作為更上層功能單元的子模塊使用。Designer軟件包括EDIF編譯、工藝映射、設計優(yōu)化、延時約束、FPGA引腳指定、自動布局布線、延時分析、延時信息反標注、邏輯信息固化文件生成等多種功能。
為提高FPGA的數(shù)據(jù)處理速度及降低芯片功耗，邏輯電路設計應重點采用以下措施：
1）采用流水線，降低芯片功耗，提高系統(tǒng)時鐘。流水線是一種設計技巧，它在很長的組合邏輯路徑中插入寄存器，寄存器雖增加了運算周期數(shù)，卻能大大減少組合邏輯延時，提高整個系統(tǒng)工作頻率。例如，在如下計算模型Err=a-b-c+d中，沒有流水線的電路如圖1(a），引入流水線后，電路如圖1(b）。
為考察圖1a與圖1b兩種電路的速度差別，本文進行如下實驗：
實驗1：設計兩套數(shù)字電路A、B，并分別以兩片F(xiàn)PGA54SX32PQ208來實現(xiàn)，其中電路A與圖1a無流水線電路對應，電路B與圖1b有流水線電路對應，電路A、B都使用具有超前進位功能的16位快速加法器和減法器。仿真結果如表1中A,B所示。
