Stratix GX系列FPGA支持熱插拔形式的設(shè)計(jì)

1、 stratix gx系列fpga支持熱插拔形式的設(shè)計(jì) 互聯(lián)網(wǎng)的繁榮和無(wú)線通訊及存儲(chǔ)行業(yè)的發(fā)展使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊量成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)通訊量的急劇增加使系統(tǒng)可用性顯得更加關(guān)鍵，因?yàn)橄到y(tǒng)即使停一秒鐘也意味著將產(chǎn)生巨大的影響，并將減少運(yùn)營(yíng)商的收入。為了使系統(tǒng)的宕機(jī)時(shí)間為零，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可熱插拔的形式。熱插拔是指系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)可以從背板上插入或取出電路板，而不會(huì)對(duì)主系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生影響。熱插拔也稱為熱切換（hot swap）或熱插入。快速發(fā)展的半導(dǎo)體工藝技術(shù)使支持熱插拔的設(shè)計(jì)更趨復(fù)雜，因?yàn)楣に嚦叽缭絹?lái)越小，ic的工作電壓也越來(lái)越低，而且不同的i/o標(biāo)準(zhǔn)需要不同的電平。當(dāng)前的pcb板上大多都有工作

2、電壓分別為5.0v、3.3v、2.5v、1.8v、1.5v和1.2v的器件，要使系統(tǒng)能正常工作必須保證每個(gè)器件正確的加電順序，然而這通常具有一定難度。由于fpga能提供更多邏輯、更高復(fù)雜程度以及成本降低，在系統(tǒng)級(jí)可編程芯片（sopc）應(yīng)用中，可編程邏輯器件（pld）在市場(chǎng)上得到了廣泛的認(rèn)同。fpga已經(jīng)融入到通訊、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)應(yīng)用的數(shù)據(jù)通道中。由于熱插拔對(duì)保證系統(tǒng)的不間斷工作很重要，因此這些系統(tǒng)在使用pld時(shí)，也要求可以進(jìn)行熱插拔。要支持熱插拔，pld器件的設(shè)計(jì)必須滿足以下要求：1. 器件在加電以前可以被驅(qū)動(dòng)，并且不能對(duì)器件本身造成損害。2. 在加電以前及加電的過(guò)程中不能排斥器件。3. 外部輸入

3、到器件i/o管腳的信號(hào)不能通過(guò)器件的內(nèi)部通道對(duì)器件的vccio和vccint電源產(chǎn)生激勵(lì)。pld熱插拔的基本原理是在加電（vccint或任何vccio電源）或關(guān)電過(guò)程中關(guān)斷輸出緩沖。當(dāng)vccint或vccio低于閾值電壓時(shí)，熱插拔電路都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部的hotsckt信號(hào)，hotsckt信號(hào)將關(guān)斷輸出緩沖，以便確保沒(méi)有直流電流通過(guò)管腳（不包括通過(guò)弱上拉電阻的漏電流）（見(jiàn)圖1）。當(dāng)vcc非常緩慢地升高時(shí)，在發(fā)出加電復(fù)位（por）信號(hào)和fpga器件配置完成后，vcc電壓甚至還相對(duì)較低。如果熱插拔電路在管腳conf_done、nstatus和nceo上實(shí)現(xiàn)時(shí)，它也不會(huì)有響應(yīng)，因?yàn)樵谶@樣低的vcc電壓下

4、，輸出緩沖不會(huì)從熱插拔電路設(shè)定的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。要解決這個(gè)問(wèn)題，需要去除這些管腳的熱插拔特性，確保管腳conf_done、nstatus及nceo在配置的過(guò)程中可以工作。圖1所示是altera pld熱插拔的實(shí)現(xiàn)原理框圖：por電路監(jiān)測(cè)vccint的電壓，并保持i/o管腳的三態(tài)，直至器件進(jìn)入用戶模式；i/o管腳到vccio的弱上拉電阻防止i/o管腳的電壓漂移；電壓誤差控制電路允許i/o腳在vccio和/或vccint加電前被驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還防止器件不在用戶模式時(shí)i/o腳被排斥。熱插拔電路還可以在器件加電以前阻止i/o腳外部信號(hào)加到內(nèi)部vccio和vccint上來(lái)。圖2是fpga器件i/o緩沖器晶體管級(jí)圖

5、示。stratix、stratix gx及cyclone fpga系列i/o腳的cmos輸出驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)在的靜電釋放（esd）保護(hù)。對(duì)于esd電壓的沖擊需要考慮兩種情形：正電壓沖擊和負(fù)電壓沖擊。當(dāng)i/o管腳上具有一個(gè)正電壓時(shí)，由于esd充電事件而發(fā)生esd沖擊。這將造成n溝道漏極的n+（漏極）/p襯底之間的結(jié)擊穿，然后n+（漏極）/p-襯底/n+ （源極）內(nèi)在雙極晶體管導(dǎo)通，這樣將esd電流從i/o腳到gnd釋放。當(dāng)i/o腳的電壓小于-0.7v（0.7v為二極管的壓降）受到負(fù)的esd沖擊時(shí)，內(nèi)部的p-襯底/n+漏極二極管為正偏壓。因此建立了從gnd到i/o管腳釋放esd電流的通道。最新的fpg

6、a器件嵌入了高速串行收發(fā)器以滿足通訊、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備的要求，這些設(shè)備在它們的背板結(jié)構(gòu)中采用了串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。嵌入收發(fā)器支持熱插拔的特點(diǎn)很關(guān)鍵，這樣在熱切換的過(guò)程中背板才不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)連接產(chǎn)生影響。stratix gx系列fpga上都具有高速片上串行接收器，它們?cè)O(shè)計(jì)成支持熱插拔的形式。對(duì)于不需要熱插拔的多電壓系統(tǒng)，pld的熱插拔和上電順序保護(hù)功能依然很重要。在這些系統(tǒng)中，由于采用穩(wěn)壓器來(lái)提供不同的電壓，因此難于預(yù)測(cè)加電順序，要求預(yù)定加電順序的器件將可能不能正常工作。由于通常pld的功能不會(huì)受系統(tǒng)加電順序的影響，因此pld片上熱插拔特征可以用來(lái)緩解多電壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加電的順序問(wèn)題。這對(duì)于那些復(fù)雜的多電壓系統(tǒng)很重要，在這些系統(tǒng)中可以采用例如max 3000a和max 7000ae這些cpld器件來(lái)控制其它器件的加電順序。通過(guò)采用嵌入式的專門(mén)電路，先進(jìn)的pld能夠?yàn)槟切┬枰嘀仉妷汉蜔崆袚Q功能的應(yīng)用提供簡(jiǎn)單的支持和加電順序保