现场可编程模拟阵列体系结构研究及可重构模拟处理器的研究和设计

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本论文重点研究了现场可编程模拟阵列(FPAA)的体系结构和基于FPAA技术的可重构模拟处理器(RAP)的构建。本文在对已有的FPAA体系结构研究和总结的基础上,建立了FPAA的评估模型,并提出了提高FPAA品质因数的解决方案。在FPAA的技术基础上,面向现场可编程的模拟/数字混合信号处理的应用,对可重构模拟处理器进行了研究和硅片验证。随着芯片上器件特征尺寸的下降,芯片的流片成本和设计验证周期均显著增加,导致高昂的开发成本。现场可编程器件的出现,能够应用于功能验证、原型机实现以及最终产品的直接应用,可以提高芯片的流片成功率,降低设计成本,缩短上市时间,因此有着广泛的应用空间,尤其是数字领域的现场可编程器件,已经取得了长足的发展。而在模拟领域,面向现场可编程的模拟信号和模拟/数字混合信号的处理,已经涌现出的现场可编程器件包括FPAA和RAP。但由于模拟信号的特殊性,模拟的现场可编程器件仍处于结构的研究阶段,处于其基本的可重构模拟模块(CAB)的实现及互连的研究阶段,研究和开发高性能的FPAA和RAP,仍具有极大的发展空间和潜力。之前对FPAA的研究中,学术界和商业界提出了诸多FPAA体系结构。在对这止匕FPAA体系结构的研究和总结的基础上,本文将已有的FPAA体系结构按照其不同的特性分为两类:组合型CAB结构和独立型CAB结构,并在对这两类FPAA的体系结构和特色分析的基础上,建立了FPAA的评估模型和品质因数的表达式,该品质因数由各项参数的权重和乘积组合表示,可以用于不同FPAA体系结构的评估。在统一的评估模型的指导下,对已有体系结构进行分析和评估;作为提高FPAA品质因数的解决方案,提出了粗颗粒功能互补的异质CAB的结构,。本文设计并实现了三款不同的FPAA体系结构。前两款FPAA分别采用传统的细颗粒同质CAB结构和创新的粗颗粒功能互补的异质CAB结构实现,通过对两种体系结构的测试和评估,分别得到其品质因数为1135和2788,验证了粗颗粒功能互补的异质CAB结构的可行性和有效性。在此基础上进行进一步的研究,设计并实现了第三款FPAA,通过进一步优化和整合,充分发挥粗颗粒功能互补异质CAB结构的优势和潜力,其品质因数可以达到3551甚至更高。以三款FPAA为内核,分别实现了三个可重构模拟处理器的芯片,面向模拟/数字混合信号处理的应用,具有极高的可重构灵活性,可实现诸如自适应滤波器、PID控制、自动增益控制和轨到轨高精度乘除法器等复杂应用,能够达到99.5%以上的相对精度,最大功耗低于同规模FPAA商业产品的1/10。
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