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现场可编程门阵列(FPGA)中可编程互连结构的设计方法研究
摘要：
现场可编程门阵列(FPGA)是一种可编程逻辑电路，其可编程性能使其在数字电路的应用中具有广泛的适用性。然而，随着芯片制造工艺的发展，芯片中的可编程互连结构比以往更加复杂，这也给FPGA中的可编程互连结构设计带来了更大的挑战。本文结合目前常用的FPGA架构，重点研究了可编程互连结构的设计方法，包括通用交换矩阵和基于比特级的交换结构。通过对比研究它们的优缺点，为FPGA中可编程互连结构的设计提供了一定的指导和借鉴。
关键词：FPGA，可编程互连结构，通用交换矩阵，比特级交换结构
一、绪论
FPGA技术在数字电路中已经广泛应用，并且在ASIC芯片设计过程中是不可或缺的工具。它可以通过内部的可编程逻辑单元（LUT）、寄存器、和可编程互连器等构造出逻辑电路，并通过编程实现系统级设计和验证，做到了逻辑和物理点对点的映射，使得具有复杂功能的数字电路成为可能。然而，随着FPGA设计的越来越复杂，芯片中的互连结构显得愈发关键和复杂。在FPGA中，互连结构担当了连接所有可编程逻辑单元的重要角色。任何互连结构设计中，要达到更高效、更便捷、更灵活、更可重用的目标，互连结构得考虑并兼顾到设计难度、电路性能和芯片成本。
由于可编程互连结构的设计方案中参与变量多，设计难度大、设计周期长。因此，本文针对FPGA中的互连结构，在FPGA的架构中，着重探讨分别采用通用交换矩阵和基于比特级的交换结构两种不同的设计方案。并分析该设计方案的性能和适用条件，以期为FPGA的可编程互连结构设计提供一定的指导和借鉴。
二、FPGA中可编程互连结构的类型
FPGA流式处理单元的函数简述
1.通用交换矩阵
通用交换矩阵结构，其基础是一个矩阵，由M行N列矩阵相交叉形成一个总共MN个交叉点，这些点是连接逻辑单元的电路节点。由于大量的点数和跨度，通用交换矩阵基于布线模型，把所有的交点连在一起。这种模式下可能会出现大量的布线冲突，即由于交叉连接关系所产生的交点重复使用的问题。因此，通用交换矩阵的应用面较窄。
2.基于比特级的交换结构
基于比特级的交换结构，是把连接逻辑单元的电路节点组织成了比特节点。在这种结构的互连方案中，对于N位的码值中的每一位与别的逻辑单元对应的那一位会轻松地组成一个交换节点，进一步构成了FPGA中的可编程互连结构。
三、通用交换矩阵和基于比特级的交换结构的比较
通用交换矩阵的主要优点是高可靠性和灵活性、均衡负载、同时通用交换矩阵可以更容易地扩展。然而，与比特级交换结构相比，通用交换矩阵的设计和布线复杂度要更高，设备的延时较大，导致通用交换矩阵的硬件开销较高，在系统的应用中很难满足性能优化的需求。普通交换矩阵的形式多样，
单端口和多端口寄存器基于它而存在。
基于比特级的交换结构与通用交换矩阵相比，因其布线方式不同，其面积开销更小。每项逻辑元件与其对应点的连接在本结构的中相对固定，并且架构中每个比特位之间的延时也更加均衡，实现的复杂度更低，布线较少，可适用于大规模的FPGA系统。然而，相对的，基于比特级的交换结构的可扩展性较低，其节点的数量不能随意增加，而且很难扩展。
四、结论和展示
本文论述了现场可编程门阵列(FPGA)中可编程互连结构的设计方法，着重分析了通用交换矩阵和基于比特级的交换结构两种不同的设计思路。通过对比研究，发现通用交换矩阵更适合于相对简单的系统环境，而基于比特级的交换结构适用于大规模的系统环境。考虑到不同应用场合的需求和性能的要求，可根据实际情况选择使用不同的设计方案。