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FPGA芯片APA150及其應用
摘要：APA150是Actel公司推出的第二代基于Flash的可編程FPGA器件系列ProASIC Plus中的一種，非常適合替代ASIC用于航空、消費電子、工業控制、網絡和通信市場。文章介紹了APA150的主要特點、內部結構、主要性能參數，給出了APA150在通信系統設計中的應用實例。１ 概述
ＡＰＡ１５０是Ａｃｔｅｌ公司推出的第二代基于Ｆｌａｓｈ（閃存）的可編程ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ，現場可編程門陣列）器件ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ系列中的一種。該系列器件兼具ＡＳＩＣ（專用集成電路）的性能和ＦＰＧＡ的靈活性于一身，因此，可非常經濟地替代Ａ-ＳＩＣ用于航空、消費電子、工業控制、網絡和通信市場。ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ系列產品的主要特點如下：
●系統內可重復編程；
●非易失，采用０．２２μｍ標準ＣＭＯＳ工藝，內置Ｆｌａｓｈ單元，具有安全的非易失代碼存儲功能，上電即可運行，無需額外配置ＰＲＯＭ存儲器；
●高度保密，使用者可編程設置多位密鑰以阻止外界自行讀取或更改器件的配置；
●功耗低?芯片核心電壓為２．５Ｖ；
●具有與ＡＳＩＣ類似的精細顆粒架構，支持流行的ＡＳＩＣ工具流程，因而可縮短產品上市時間，便于轉換到ＡＳＩＣ。
２ 內部結構和工作原理
ＡＰＡ１５０主要由邏輯單元塊、嵌入式ＲＡＭ塊、Ｉ／Ｏ塊和可編程連線等幾個部分構成，塊與塊之間用不同等級的連接線和Ｆｌａｓｈ開關相連。
邏輯單元是ＰｒｏＡＳＩＣ Ｐｌｕｓ器件的基本組成單元，用以實現基本的邏輯功能。ＡＰＡ１５０內部有６１４４個邏輯單元，每個邏輯單元有三個輸入端和一個輸出端。通過適當編程配置Ｆｌａｓｈ開關的狀態，可將邏輯單元設置成為具有三個輸入的、除了異或功能之外的任意邏輯功能塊，例如與非門、具有清零或置位端的鎖存器或Ｄ觸發器等。多個邏輯單元互連還可以實現更復雜的邏輯功能。一般的復雜性和隨機性設計可在邏輯單元中實現，但為了提高硅片的利用率和器件的性能，一些較為復雜的功能應通過內嵌的隨機存儲單元來完成。
ＡＰＡ１５０內嵌１６個共３６ｋｂｉｔｓ的ＲＡＭ塊（２５６×９），這些ＲＡＭ塊可以非常方便地實現一些規模不太大的ＦＩＦＯ、雙端口ＲＡＭ等功能。每個ＲＡＭ塊均包含如下３個部分：
（１）數據區；
（２）總線，包括９位輸入數據總線（第９位是奇偶極性位）、讀和寫各８位地址總線和輸出數據總線；
（３）讀／寫控制，讀和寫可以獨立編程配置為同步或異步工作方式，以適應電路設計的靈活性和時序安排。
另外可以根據設計要求級聯或堆疊多個ＲＡＭ塊，以得到更大的寬度或深度。因為這些片內存儲器的讀、寫比片外ＲＡＭ快得多。
Ｉ／Ｏ塊主要用于提供管腳到內部信號線的接口?并負責輸入輸出的電氣特性控制。通過編程配置Ｉ／Ｏ塊可使Ｉ／Ｏ管腳具有輸入、輸出、雙向緩沖或三態驅動等功能，其內部結構如圖１所示。將控制上拉電阻接到每個Ｉ／Ｏ管腳可以防止器件在非正常工作時管腳出現懸浮；通過控制輸出信號的電壓擺率可滿足低噪聲或高轉換速度的要求。如將ＶＤＤＰ接到電源，那么，當ＶＤＤＰ為２．５Ｖ時，輸入電壓或輸出高電平為２．５Ｖ；而當ＶＤＤＰ為３．３Ｖ時，輸入電壓可為２．５Ｖ／３．３Ｖ，輸出電平則與２．５Ｖ或３．３Ｖ系統兼容。
ＡＰＡ１５０器件內部遍布一系列四個級別水平和垂直的連接線：其中超高速本地線用于連接相鄰邏輯單元；有效長線則可實現遠距離和高扇出連接，其長度可以跨越１、２或４個邏輯單元；另外，高速甚長線常用于甚長或甚高扇出連接，它可以跨越整個器件；高性能全局線常用以連接全局管腳到內部的邏輯單元，如分配作時鐘、復位的管腳等。
諸多連接線與邏輯單元或其它塊的連接狀態由上電即可在系統內編程的Ｆｌａｓｈ開關來決定，其結構如圖２所示。
其中，浮動柵的作用是通過充電或放電來設定連接兩個金屬線路之間的開關狀態。由于可編程器件或開關器件未發生任何物理變化，因此通過材料分析探測不到任何結果。發生變化的只有浮動柵的電子數，因此，基于Ｆｌａｓｈ的ＡＰＡ１５０ 比采用其它工藝（如反熔絲）的ＦＰＧＡ更難以反求和復制。
３ 管腳功能和主要參數
３．１ 管腳功能
ＡＰＡ１５０的封裝形式有１００腳ＴＱＦＰ（薄型四方扁平封裝）、２０８ 腳ＰＱＦＰ（塑料方型扁平式封裝）、４５６ 腳ＰＢＧＡ（塑料球柵陣列封裝）以及１４４、２５６腳ＦＢＧＡ（微間距球柵陣列）封裝等形式。使用時可根據所設計的系統選擇適當的封裝。下面以１００ 腳的ＴＱＦＰ為例介紹其管腳功能，具體如表１所列。
表1 APA150的管腳功能
管 腳 描 述
VDD17,37,68,89接2.5V，作為芯片電源VDDP26,39,40,76,87,100接2.5V或3.3V，作為I/O驅動電壓I/O2～8,18～【FPGA芯片APA150及其應用】相關文章：
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