层次式布线资源FPGA连线开关的设计

来源：网络作者：佚名发布时间：2009-10-09 09:08:04 发表评论

摘要：本文提出了一种层次式布线资源FPGA连线开关的设计方法,采用迷宫算法对结构进行了分析。

　　因为共有t 根y 方向连线V a1 ,V a2 , …,V at 作为第二级驱动线,因此, 一共有t 个方程(1) 。又因为每个方程(1) 中都是aj 遍历( a1 , a2 , …, at) 这t 个值,因此,由t 个方程(1) 所表示的驱动关系一共有t2 个。在t2 个解中,相异解越多,说明第Hn 号线在经过2 个SB 后,驱动的x 方向连线根数越多,相应结构的SB 的连通能力越大。取不同的V ai , 方程(1) 在aj = ai 时都变为V ai = Hn , 即无论哪根第二级驱动线V ai 在经过第二个SB 时都得驱动第Hn 根x 方向连线。由此可知, t 根第二级驱动线V a1 ,V a2 ,…,V at 在经过第二个SB 时所驱动的x方向连线中,至少有t 根是重合的。也就是说, 所有的t 根y 方向连线V a1 ,V a2 ,… ,V at 在经过第二个SB 后,最多能驱动t2 - ( t - 1) 根x 方向的连线。如何能使这t2 -( t - 1) 个解中相异解最多, 成为设计SB 结构的关键。

　　分析方程(1) 可知,方程(1) 各个解的相异之处由函数g ( ai , aj) 中aj - ai 和W - | aj - ai| 决定。由此可知, | aj - ai| 的相异解越多, 方程(1) 的相异解越多,SB 的连通能力越大。当ai 取a1 , a2 , …, at中的一个值, aj 遍历a1 , a2 , …, at 这t 个值, 若| aj- ai| 的值各不相同,且不等于W/ 2 时, t 个方程(1)所得到的相异解总数最大,SB 的连通能力最大。在实际的SB 结构设计中,依据这些公式结论,只要保证一根连线上任两个编程开关放置的位置之间的距离不同,就能保证这样所设计的SB 的连通能力最大。

　　针对f s = 3 的情况,图5 (a) ( b) 分别表示两种SB 结构及其连通能力。图5 (a) 中, H0 号线上编程开关设置在它与V 4 、V 6 、V 7 号线的交叉点上。这些编程开关之间距离的绝对值分别为| 7 - 6| = 1 、| 6 -4| = 2 和| 7 - 4| = 3 。这些值各不相等,且不等于1/2 通道宽度值4 ,图5 (b) 中, H0 号线上,编程开关设置在它与V 5 、V 6 、V 7 号线的交叉点上。这些开关之间距离的绝对值分别为| 7 - 6| = 1 、| 6 - 5| = 1 和| 7- 5| = 2 ,并不是各不相同。依据公式推导的结论,图5 (a) 中的SB 将比图5 (b) 中的SB 有更大的连通能力,且图5 (a) 中的SB 应具有在f s = 3 情况下最大的连通能力,即一根连线在经过2 个图5 (a) 中的SB后,将可以驱动32 - (3 - 1) = 7 根连线。图5 (a) 、(b) 证实了这些结论。

　　FDP - 100 K中,通道宽度为8 ,SB 取连通度f s= 3 ,采用的正是图5 (a) 中连通能力为7 的结构。SB 的连通能力基本满足通道宽度的需要。

　　实验和结论

　　FDE(FDP design environment ) 是我们自主开发的FPGA 设计软件。使用FDE ,将ISCAS’89 的23 个测试电路用FDP-100K 实现。首先,使用映射工具FMAP,对测试电路的网表进行映射,映射结果的优化性在于使用尽量少的LC。然后,使用布局布线工具FPAR,将映射后的网表布到采用两种SB 和CB 结构方案的FDP-100 K中,即逻辑资源均使用FDP-100 K的可编程逻辑单元,但互连资源中的CB 和SB 使用两种结构组合。第一种使用Xilinx 的全连通CB 和disjoint 的SB ;第二种使用FDP-100K的半连通CB 和f s = 3 的SB。

　　测试时,两种方案的芯片规模是相同的,都使用32 ×32 个可编程逻辑单元,通道宽度为8 。另外,由于CB 和SB只负责可分割长线的连接,因此,为了减少其他连线资源对实验结果的影响,我们在布线中只使用了可分割长线。两种结构的网表布通结果如表1 所示。从表1 中可以看到,在23 个电路网表中, Xilinx 全连通CB 和disjoint 结构的SB 互连组合共布通了22 个,而FDP-100K 中半连通CB 和f s = 3 的具有最大布通能力的SB 结构组合布通了20 个。但是,在一个宏单元MC (一个MC 包含4 ×4 = 16 个可编程逻辑单元) 中,Xilinx 的CB 和SB 将消耗1 544 个晶体管,而FDP-100 K 的CB 和SB 只消耗了1 088个晶体管。