Блоки ввода/вывода FPGA

Эти блоки обычно содержат два канала — для ввода сигналов и для вывода (рис. 4.36), которые подключены к одной и той же контактной площадке микросхемы.

В каждом канале сигналы могут передаваться прямым путем между контактной площадкой и входом/выходом ПЛИС. Для этого используются верхние входы мультиплексоров. Кроме того, сигналы могут фиксироваться в триггерах, и в этом случае они поступают через нижние входы мультиплексоров.

Рис. 4.36. Блок ввода/вывода FPGA.

Выходной усилитель ПЛИС может переводиться в третье состояние, при этом выходной контакт микросхемы оказывается разомкнутым. Как известно, на разомкнутых контактах в КМОП-устройствах происходит накопление заряда, что приводит к появлению ложных сигналов. Чтобы этого не происходило, в микросхеме предусмотрено подключение контактной площадки через резисторы либо к высокому уровню напряжения, либо к нулевой точке (корпусу). Эту функцию выполняют два транзисторных ключа. Выбор того или иного ключа осуществляется при программировании.

Системы межсоединений FPGA

Линии связей в FPGA составляются из сравнительно коротких участков, не содержащих ключей — сегментов. Они могут быть разной длины, вертикальные и горизонтальные. Сегменты между собой могут соединяться с помощью ключей, замыкаемых при программировании. Малое количество сегментов ведет к недостаточно эффективному использованию ЛБ, слишком большое — к появлению большого числа программируемых. Короткие сегменты затрудняют реализацию длинных связей, а длинные — коротких. Поэтому целесообразна система связей с несколькими типами межсоединений — как длинных, так и коротких — для передач на разные расстояния.

В разработке FPGA с однократным программированием на основе перемычек типа antifuse ведущую роль играет фирма Actel. Логические блоки в FPGA этой фирмы располагаются в виде горизонтальных рядов, между которыми имеются трассировочные каналы (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Система межсоединений FPGA фирмы Aciei

В горизонтальном канале в четыре строки расположены сегменты различной длины. Их пересекают вертикальные сегменты. Па пересечении вертикальных и горизонтальных сегментов находятся программируемые перемычки antifuse, позволяющие соединять вертикальные и горизонтальные сегменты. На рис. 4.37 они обозначены кружками.

Каждый ЛБ имеет один выход и четыре входа, два из которых расположены в верхней части ЛБ, а два — в нижней. Каждый из входов ЛБ соединен с одним из коротких вертикальных сегментов, причем верхние входы ЛБ соединяются с вертикальными сегментами, расположенными в верхнем ряду, а нижние входы — с сегментами в нижнем ряду. Выход каждого ЛБ соединен с собственным вертикальным сегментом, пересекающим сразу несколько горизонтальных каналов. Таким образом, для соединения выхода одного ЛБ с одним из входов другого близлежащего ЛБ достаточно замкнуть две перемычки: перемычку, соединяющую вертикальный сегмент выхода ЛБ с горизонтальным, и перемычку в точке пересечения этого горизонтального сегмента с соответствующим вертикальным сегментом входа.

Если ЛБ, выход и вход которых необходимо соединить, расположены не в одном столбце, имеются специальные программируемые ключи, позволяющие соединять концы горизонтальных сегментов друг с другом. Таким образом, можно увеличивать длину горизонтальных линий связи.

Кроме вертикальных сегментов входов и выходов ЛБ в вертикальных направлениях идут также дополнительные сегменты, пересекающие несколько рядов ЛБ и трассировочных каналов. Каждый такой вертикальный сегмент может соединяться с горизонтальными, которые он пересекает. Эти сегменты могут соединяться с выходами соседних ЛБ.

В горизонтальных каналах имеются непрерывные по всей длине сегменты, которые одним из своих концов подключены либо к напряжению питания, либо к корпусу. С помощью таких сегментов на ЛБ можно подавать сигналы лог. 1 и 0.

Таким образом, система коммутации содержит набор сегментов самого различного назначения и средства их коммутации, что обеспечивает большое разнообразие вариантов соединения ЛБ между собой.

Чтобы запрограммировать перемычку, т. е. замкнуть ее, к ней следует приложить повышенное напряжение Uпр. Так как перемычки расположены на пересечении строк и столбцов, то на одну из этих линий подается напряжение Uпр, а другая заземляется. Чтобы остальные перемычки остались целыми, перед этим все сегменты микросхемы заряжаются до уровня Unp/ 2. Таким образом, при подаче на одну из линий напряжения Uпр, а на другую — «0» только одна перемычка, находящаяся на их пересечении, попадет под напряжение Uпр, все остальные при этом попадут под напряжение Uпр/ 2, не пробивающее перемычку.