FPGA芯片APA150及其应用

摘要：APA150是Actel公司推出的第二代基于Flash的可编程FPGA器件系列ProASIC Plus中的一种，非常适合替代ASIC用于航空、消费电子、工业控制、网络和通信市场。文章介绍了APA150的主要特点、内部结构、主要性能参数，给出了APA150在通信系统设计中的应用实例。 关键词：APA150 FPGA ASIC Flash １　概述 ＡＰＡ１５０是Ａｃｔｅｌ公司推出的第二代基于Ｆｌａｓｈ（闪存）的可编程ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，现场可编程门阵列）器件ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ系列中的一种。该系列器件兼具ＡＳＩＣ（专用集成电路）的性能和ＦＰＧＡ的灵活性于一身，因此，可非常经济地替代Ａ-ＳＩＣ用于航空、消费电子、工业控制、网络和通信市场。ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ系列产品的主要特点如下： ●系统内可重复编程； ●非易失，采用０．２２μｍ标准ＣＭＯＳ工艺，内置Ｆｌａｓｈ单元，具有安全的非易失代码存储功能，上电即可运行，无需额外配置ＰＲＯＭ存储器； ●高度保密，使用者可编程设置多位密钥以阻止外界自行读取或更改器件的配置； ●功耗低芯片核心电压为２．５Ｖ； ●具有与ＡＳＩＣ类似的精细颗粒架构，支持流行的ＡＳＩＣ工具流程，因而可缩短产品上市时间，便于转换到ＡＳＩＣ。 ２　内部结构和工作原理 ＡＰＡ１５０主要由逻辑单元块、嵌入式ＲＡＭ块、Ｉ／Ｏ块和可编程连线等几个部分构成，块与块之间用不同等级的连接线和Ｆｌａｓｈ开关相连。 逻辑单元是ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ器件的基本组成单元，用以实现基本的逻辑功能。ＡＰＡ１５０内部有６１４４个逻辑单元，每个逻辑单元有三个输入端和一个输出端。通过适当编程配置Ｆｌａｓｈ开关的状态，可将逻辑单元设置成为具有三个输入的、除了异或功能之外的任意逻辑功能块，例如与非门、具有清零或置位端的锁存器或Ｄ触发器等。多个逻辑单元互连还可以实现更复杂的逻辑功能。一般的复杂性和随机性设计可在逻辑单元中实现，但为了提高硅片的利用率和器件的性能，一些较为复杂的功能应通过内嵌的随机存储单元来完成。 ＡＰＡ１５０内嵌１６个共３６ｋｂｉｔｓ的ＲＡＭ块（２５６%26;#215;９），这些ＲＡＭ块可以非常方便地实现一些规模不太大的ＦＩＦＯ、双端口ＲＡＭ等功能。每个ＲＡＭ块均包含如下３个部分： （１）数据区； （２）总线，包括９位输入数据总线（第９位是奇偶极性位）、读和写各８位地址总线和输出数据总线； （３）读／写控制，读和写可以独立编程配置为同步或异步工作方式，以适应电路设计的灵活性和时序安排。 另外可以根据设计要求级联或堆叠多个ＲＡＭ块，以得到更大的宽度或深度。因为这些片内存储器的读、写比片外ＲＡＭ快得多。 Ｉ／Ｏ块主要用于提供管脚到内部信号线的接口并负责输入输出的电气特性控制。通过编程配置Ｉ／Ｏ块可使Ｉ／Ｏ管脚具有输入、输出、双向缓冲或三态驱动等功能，其内部结构如图１所示。将控制上拉电阻接到每个Ｉ／Ｏ管脚可以防止器件在非正常工作时管脚出现悬浮；通过控制输出信号的电压摆率可满足低噪声或高转换速度的要求。如将ＶＤＤＰ接到电源，那么，当ＶＤＤＰ为２．５Ｖ时，输入电压或输出高电平为２．５Ｖ；而当ＶＤＤＰ为３．３Ｖ时，输入电压可为２．５Ｖ／３．３Ｖ，输出电平则与２．５Ｖ或３．３Ｖ系统兼容。 ＡＰＡ１５０器件内部遍布一系列四个级别水平和垂直的连接线：其中超高速本地线用于连接相邻逻辑单元；有效长线则可实现远距离和高扇出连接，其长度可以跨越１、２或４个逻辑单元；另外，高速甚长线常用于甚长或甚高扇出连接，它可以跨越整个器件；高性能全局线常用以连接全局管脚到内部的逻辑单元，如分配作时钟、复位的管脚等。 诸多连接线与逻辑单元或其它块的连接状态由上电即可在系统内编程的Ｆｌａｓｈ开关来决定，其结构如图２所示。 其中，浮动栅的作用是通过充电或放电来设定连接两个金属线路之间的开关状态。由于可编程器件或开关器件未发生任何物理变化，因此通过材料分析探测不到任何结果。发生变化的只有浮动栅的电子数，因此，基于Ｆｌａｓｈ的ＡＰＡ１５０ 比采用其它工艺（如反熔丝）的ＦＰＧＡ更难以反求和复制。 ３　管脚功能和主要参数 ３．１ 管脚功能 ＡＰＡ１５０的封装形式有１００脚ＴＱＦＰ（薄型四方扁平封装）、２０８ 脚ＰＱＦＰ（塑料方型扁平式封装）、４５６ 脚ＰＢＧＡ（塑料球栅阵列封装）以及１４４、２５６脚ＦＢＧＡ（微间距球栅阵列）封装等形式。使用时可根据所设计的系统选择适当的封装。下面以１００ 脚的ＴＱＦＰ为例介绍其管脚功能，具体如表１所列。 表1 APA150的管脚功能 管 脚 名 管 脚 号 管 脚 描 述 VDD 17,37,68,89 接2.5V，作为芯片电源 VDDP 26,39,40,76,87,100 接2.5V或3.3V，作为I/O驱动电压 I/O 2～8,18～24,27～36,41～46, 57～59,69～74,77～85,90～99 可用作输入、输出、三态或双向缓冲，作输入、输出时兼容TTL和CMOS电平，不用的输入管脚应接上位电阻 GL 11,16,60,65 全局管脚，可作为低时滞时钟或其它全局信号输入，也可以作为普通I/O使用 NPECL 13,63 除了标准I/O口，APA150芯片还提供低电压正射极耦合逻辑（LVPECL）标准的差分I/O接品，NPECL、PPECL分别为负、正极性输入，二者比较的结果将送给内部锁相环。不用时空接 PPECL 15,61 TMS 49 测试模式选择，用于控制边界扫描电路 TCK 47 测试时钟，同时是边界扫描的时钟输入（最大为10MHz） TDI 48 测试数据输入，作为边界扫描的串行输入 TDO 54 测试数据输出，作为边界扫描的串行输出 TRST 55 测试复位输入，作为边界扫描的异步复位端，低电平有效 RCK 56 运行时钟，编程时用来取代不可靠的TCK VPP 52 编程器电源，范围是0～16.5V，也可以空接，Actel推荐空接或连接至VDDP VPN 53 编程器电源，范围是0～-13.8V，也可以空接，Actel推荐空接或接地 AVDD 14,62 内部锁相环电源脚，接2.5V电压，它与地之间应有一个合适的去耦电容以减小噪声；不用内部锁相环时该管脚空接 AGND 12,64 内部锁相环地端 GLMA 10,66 多元全局管脚，可用此管脚作为内部锁相环需要外部环回时的输入，另外也可以作为普通I/O使用 GND 1,9,25,38,40,51,67,75,86,88 接地 ３．２ 主要参数 ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ系列共有七种产品，其密度从７５０００到１百万系统门。其中ＡＰＡ１５０的主要特点如下： ●具有１５００００个系统门，逻辑单元为６１４４个； ●内嵌３６ｋＢ的双端口ＳＲＡＭ的２个锁相环ＰＬＬ内核； ●最大支持２４２个用户Ｉ／Ｏ Ｉ／Ｏ电压有３．３Ｖ和２．５Ｖ两种可供选择； ●支持３．３Ｖ、３２ｂｉｔｓ、５０ＭＨｚ的ＰＣＩ总线，系统时钟最高频率为３２ＭＨｚ； ●工作温度：民用温度范围为０～７０℃，工业级温度范围为－４０～８５℃。 ４　应用实例 图３是笔者以ＡＰＡ１５０为核心器件设计的ＣＡＮ总线复接系统。ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，控制器局域网）是一种多主方式的串行通讯总线，在工业系统中具有广泛的应用。但是它的直接通信距离和通信速率是一对矛盾。本系统借助ＦＰＧＡ ／ＶＨＤＬ技术，把１５路１２５ｋｂｐｓ的ＣＡＮ信号复接成２．０４８Ｍｂｐｓ的Ｅ１信号，从而利用现有的时分复用通信线路或光纤实现了高速、远距离传输。 ＰＣＡ８２Ｃ２５０是ＣＡＮ总线的物理接口芯片。１６－ｂｉｔ电平转换芯片７４ＬＣＸ１６２４５用于实现１５路、５Ｖ ＣＡＮ信号与ＡＰＡ１５０器件的３．３Ｖ输入／输出间的相互转换。ＡＰＡ１５０则用于完成２ＭＨｚ的Ｅ１信号与１５路ＣＡＮ信号间的分接和复接。而ＭＣ１００ＬＶＥＬＴ２２与ＭＣ１００ＬＶＥＬＴ２３则用于实现ＡＰＡ１５０的低压ＴＴＬ信号与３．３Ｖ低压ＰＥＣＬ信号间的转换。光电转换器件采用Ｃ－１３－１５５－Ｔ３－ＳＳＣ３Ｂ，这是一个３．３Ｖ、１５５ＭＨｚ、单模光纤收发一体模块。本系统采用基于ＥＤＡ技术的自顶向下（ＴＯＰ－ＤＯＷＮ）的设计方法。本设计所采用的工具是Ａｃｔｅｌ公司的集成设计环境Ｌｉｂｅｒｏ Ｖ２．２，它支持ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ 语言的顶层设计，同时支持原理图、状态机及流程图等输入，而且还集成了业界领先的设计工具，如仿真和设计验证软件ＭｏｄｅｌＳｉｍ、综合软件Ｓｙｎｐｌｉｆｙ、布放软件Ｄｅｓｉｇｎｅｒ Ｒ１－２００２等。 本系统的核心器件采用基于Ｆｌａｓｈ的ＡＰＡ１５０。与ＳＲＡＭ工艺的ＦＰＧＡ相比，ＡＰＡ１５０具有如下优点： （１）成本低，ＡＰＡ１５０的价格低于８美元，而且由于ＡＰＡ１５０具有非易失性，因此不需要用于存储编程数据的ＰＲＯＭ，从而节约了成本； （２）安全性高，一经编程锁定就难以反求，而ＳＲＡＭ ＦＰＧＡ易于复制，安全性不足； （３）功耗低，其功耗仅是基于ＳＲＡＭ的ＦＰＧＡ产品的１／３到１／２。 与ＡＳＩＣ相比，本系统的研制周期较短，设计成本亦较低，而且具有可重复编程性，因而大大提高了设计的灵活性。