用AlteraFLEX10K可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)復(fù)用器的設(shè)計(jì)

摘要：以三路固定時(shí)分復(fù)用器的設(shè)計(jì)為例，介紹了Altera公司的FLEX10K嵌入式可編程邏輯器件的自頂向下設(shè)計(jì)方法，給出了FLEX 10K嵌入式可編程器件在Mux+plus Ⅱ環(huán)境下對(duì)多路時(shí)分復(fù)用器的仿真實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：可編程邏輯器件 Mux+plus Ⅱ 時(shí)分復(fù)用 仿真 FLEX 10K

1 Altera FLEX 10K概述

Altera公司的FLEX 10K嵌入式可編程系列產(chǎn)品是將傳統(tǒng)的可編程邏輯與嵌入式門陣列有機(jī)地結(jié)合在一起的新型器件。由于它有兩個(gè)獨(dú)特的邏輯應(yīng)用結(jié)構(gòu)——嵌入式陣列和邏輯陣列，從而使FLEX 10K系列產(chǎn)品革新了可編程結(jié)構(gòu)并擠身為門陣列市場(chǎng)的主流。

從10k到250k典型門，F(xiàn)LEX 10K系列有三代產(chǎn)品，而每一代都較前一代具有更高的性能、更低的成本及功耗。

Altera的快速、高效以及易于操作的MAX+PLUS Ⅱ設(shè)計(jì)軟件可提供對(duì)換FLEX 10K系列產(chǎn)品的支持。將MAX+PLUS Ⅱ軟件與廣義的可用于FLEX 10K器件的IP單元結(jié)合起來(lái)可有效地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，并極大地縮短設(shè)計(jì)流程。這些特性將使得FLEX 10K系列成為當(dāng)今先進(jìn)而有效的門陣列替代產(chǎn)品。

2 FLEX 10K器件的性能特點(diǎn)

FLEX 10K系列器件是一種嵌入式PLD產(chǎn)品。FLEX（可更改邏輯單元陣列）采用可重構(gòu)的CMOS SRAM單元，其結(jié)構(gòu)集成了可實(shí)現(xiàn)通用多功能門陣列所需的全部特性。FLEX 10K系列器件的容量可達(dá)25萬(wàn)門，因此能夠高密度、高速度、高性能地將整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，包括32位多總線系統(tǒng)集成于單個(gè)器件之中。FLEX 10K器件的特性如下：

●嵌入式可編程器件可提供集成系統(tǒng)與單個(gè)可編程邏輯器件性能；

●密度高，可提供1萬(wàn)～25萬(wàn)個(gè)可用門、6144～40960位內(nèi)部RAM；

●功耗低：多數(shù)器件在靜態(tài)模式下的電流小于0.5mA，可在2.5V、3.3V或5.0V電壓下工作；

●速度高：時(shí)鐘鎖定和時(shí)鐘自舉選項(xiàng)可分別用來(lái)減少時(shí)鐘延時(shí)/過(guò)沖和時(shí)鐘倍頻；器件內(nèi)含樹(shù)形分布式低失真時(shí)鐘，并具有快速建立時(shí)間和時(shí)鐘到輸出延時(shí)的外部寄存器；

●具有靈活的互連方式，采用快速、互連延時(shí)可預(yù)測(cè)的快速通道連續(xù)式分布結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速加法、計(jì)數(shù)、比較等算術(shù)邏輯功能的專用進(jìn)位鏈；并可實(shí)現(xiàn)高速、多輸入邏輯功能的專用級(jí)聯(lián)鏈；同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部三態(tài)總線的三態(tài)模擬；具有多達(dá)六個(gè)全局時(shí)鐘信號(hào)和四個(gè)全局清除信號(hào)；

●支持多電壓I/O接口，遵從PCI2.2總線標(biāo)準(zhǔn)；

●具有多種配置方式和多種封裝形式。

3 自頂向下設(shè)計(jì)方法

可編程邏輯器件的自頂向下設(shè)計(jì)方法是目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常采用的一種設(shè)計(jì)方法，也是基于芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法。它首先從而系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，在頂層進(jìn)行功能劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用硬件描述語(yǔ)言對(duì)高層次的系統(tǒng)進(jìn)行描述，并在系統(tǒng)級(jí)采用仿真手段驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，然后再逐層設(shè)計(jì)低層結(jié)構(gòu)。由于高層次的設(shè)計(jì)與器件及工藝無(wú)關(guān)，并且在芯片設(shè)計(jì)前就可以用軟件仿真手段驗(yàn)證系統(tǒng)方案的可行性，因此自頂向下的設(shè)計(jì)方法有利于在早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，避免不必的重復(fù)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的一次性成功率。

4 時(shí)分復(fù)用原理

時(shí)分多路復(fù)用（TDM）是將信道分成若干時(shí)隙，每個(gè)用戶都占有他部信道容量。TDM可為每個(gè)用戶提供一個(gè)時(shí)隙，這些時(shí)隙可在接入的用戶中輪換。TDM周期性地掃描多個(gè)接入點(diǎn)的輸入信號(hào)（輸入數(shù)據(jù)）。比特、字節(jié)或數(shù)據(jù)塊均被分開(kāi)并交織布幀，在一條高速通信線路上傳輸。

利用圖1所示的幀格式可將三路低速信號(hào)按固定時(shí)分復(fù)用方式復(fù)合成一路高速信號(hào)。

5 Mux+plus Ⅱ簡(jiǎn)介

Mux+plus Ⅱ是Altera公司推出的一種具有完全集成的易學(xué)、易用的可視化開(kāi)發(fā)工具軟件。它具有業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的EDA接口，并可以運(yùn)行在多種操作平臺(tái)上。

Mux+plus Ⅱ提供了與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，從而可確保輸入設(shè)計(jì)、快速編譯及完成器件編程。另外，Mux+plus Ⅱ也支持FLEX、MAX及Classic系列器件。

Mux+plus Ⅱ的設(shè)計(jì)輸入方法十分靈活，可根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容分別建立圖形編輯文件（Graphic Editorfile）、符號(hào)編輯文件（Symbol Editor file）、本文編程文件（Text Editor file）及波形編輯文件（Waveform Editor file），并可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。在編譯并仿真成功后還可生成用戶自己的符號(hào)并存于用戶符號(hào)庫(kù)內(nèi)以供上層設(shè)計(jì)引用。

6 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及仿真

本設(shè)計(jì)分為三個(gè)大的層次，頂層為復(fù)用級(jí)（如圖2），它由若干個(gè)次層模塊構(gòu)成，仿真成功后可生成一個(gè)獨(dú)立默認(rèn)符號(hào)（如圖3）和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖（如圖4）。頂層模塊中的每個(gè)次層模塊均可完成一個(gè)較為獨(dú)立的功能，如其中的一個(gè)次層模塊可完成同步標(biāo)志插入及將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)等（如圖5），次模塊在調(diào)試成功后可生成為一個(gè)默認(rèn)符號(hào)，以供上一層模塊調(diào)用。次模塊又可細(xì)分為若干個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊同樣可完成相對(duì)獨(dú)立的功能，……，如此層層嵌套，即可根據(jù)實(shí)際需要細(xì)化到邏輯門級(jí)。每層設(shè)計(jì)結(jié)束后都可及時(shí)對(duì)其進(jìn)行仿真，圖6所示為頂層設(shè)計(jì)波形仿真圖。

由此可見(jiàn)，用可編程邏輯器件完成數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相當(dāng)于先將整個(gè)系統(tǒng)功能分成不同功能的模塊，并將這些模塊彼此連接并給予時(shí)鐘激勵(lì)以測(cè)試是否能完成預(yù)期功能。這些模塊對(duì)應(yīng)于不同的器件（用戶自己生成的），每個(gè)器件可完成一個(gè)獨(dú)立的功能。其次再按同樣的過(guò)程，將每個(gè)器件功能再次細(xì)分成若干子模塊并連接，每一個(gè)子模塊又對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶自己生成的器件，然后通過(guò)仿真測(cè)試模塊連接的正確性……，如此反復(fù)，直至功能細(xì)化到對(duì)邏輯門電路進(jìn)行操作。利用該設(shè)計(jì)可以通過(guò)每一個(gè)層次的設(shè)計(jì)及仿真來(lái)及時(shí)查找并修改設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，提高次設(shè)計(jì)成功的機(jī)率。

Mux+plus Ⅱ設(shè)計(jì)軟件也可提供對(duì)器件的自動(dòng)選擇，即在整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)束后，用戶只需向軟件提供器件系列（如FLEX 10K），軟件便可自動(dòng)選擇適合本設(shè)計(jì)的具體器件，若沒(méi)有適合器件，軟件將提示用戶重新選擇。這一特點(diǎn)可為用戶的具體設(shè)計(jì)提供極大的方便。