基于最小环的FPGA布线矩阵的开关盒设计方法技术

本发明专利技术属电子技术领域，具体涉及基于最小环的ＦＰＧＡ布线矩阵的开关盒设计方法。本发明专利技术通过确立布线资源图、广度优先搜索、最小环最大化等步骤设计布线矩阵的开关盒结构，使其中的布线资源图的最小环尺寸最大化，使得到的布线矩阵的开关盒结构灵活。本发明专利技术采用最小环尺寸衡量布线矩阵的开关盒结构的灵活性，在节点数目一定，节点度数一定的情况下，最小环尺寸越大，其结构就越灵活。本发明专利技术方法制得的灵活的布线矩阵的开关盒结构，能用作ＦＰＧＡ布线资源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属电子
，涉及FPGA布线矩阵的开关盒结构，具体涉及基于最小环的FPGA 布线矩阵的开关盒设计方法。
技术介绍
现场可编程门阵列(FPGA)发展至今已陆陆续续地出现了若干种布线矩阵的开关盒结构， 最常用的莫过于分离型(Disjoint)、通用型(Universal)以及威尔顿型(Wilton)等三种经典结 构(内置存储器的现场可编程门阵列的结构和算法，史帝文*J *E ，威尔顿Architectures and Algorithms for Filed-Programmable Gate Arrays with Embedded Memory, Steven J.E. Wilton)，见图1。可是随着FPGA布线矩阵的规模的扩大，布线矩阵的开关盒需要应对越来 越复杂的布线要求，对于布线矩阵的开关盒结构的灵活性的要求越来越高，而以往的这些简 单的布线矩阵的开关盒结构正面临着巨大的挑战。它们是否能够应对这样的挑战，有什么方 法来判断一个布线矩阵的开关盒结构的灵活性，进而推动新的布线矩阵的开关盒设计方法， 成为本领域研究人员的关注热点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型的FPGA布线矩阵的开关盒结构设计方法，具体涉及基于最小环的FPGA布线矩阵的开关盒设计方法。本专利技术方法制得的灵活的布线矩阵的开关盒结构，能用作FPGA布线资源。 本专利技术方法的核心技术方案是致力于使布线资源图的最小环尺寸最大化，使得最终得到的布线矩阵的开关盒结构灵活。本专利技术的目的通过下述方法和步骤实现1、确立布线资源图把互连结构映射成图，即布线资源图，其中线网为节点，可编程连接为边。 对于一个由单管连接构成的布线矩阵的开关盒结构来说，布线矩阵的开关盒的每个端口就是一个节点，而每一个可编程连接就是一条无向边。本专利技术所述的布线矩阵的开关盒结构的布线资源图就是由上述的节点和无向边组成的无向简单图(图1显示了现有技术的Disjoint, Universal, Wilton等三种经典结构布线资源图，其中每个标签标出的端口就是 节点，每根线标出的可编程连接就是边)。2、 广度优先搜索在一个布线资源图中，从一个节点开始做广度优先搜索(BFS)。本方法根据在尽可能少的 层数内搜索到尽可能多的其它节点的目标设计制得本专利技术的布线资源的结构。所得的布线资 源结构可以从一个线网出发，经过尽可能少的可编程连接后，达到尽可能多的其它线网。BFS在某一层中能搜到多少节点首先和上一层的节点数以及上一层每个节点的出度有关。 而如果一个布线资料图中所有节点的出度都是确定的常量的话，那么从搜索起点开始每一层 可以搜到的节点的个数就也都是定值。从已被搜索过的节点出发的边称为搜索边 (searching-edge)。沿着搜索边去搜索另一端的节点，如果发现一个新的节点，该搜索边称 为发现边(discovery-edge);而如果在搜索边另一端遇到的是之前已被搜索到过的节点，该 搜索边就称为交叉边(cross-edge)。如果搜索边搜到一个曾经搜到过的节点，换言之，这一 个节点通过不同的方式又被搜到了一次，那么它就占用了本可以让其它节点在该层被找到的 机会。结果就是，在这一层上新找到的节点的数目就减少了。某一层节点数的减少将会进一 步更大程度地限制下一层可以找到新点的个数(图2)。本专利技术的布线资源图在进行BFS时， 每条搜索边遇到的节点都是新的未曾被搜索到过的点，可以在尽可能少的层中搜索到尽可能 多的新节点。当大多数点都已经被找到后，再往下进行搜索无法避免的会出现下述现象搜到已经搜 到过的点。若所属现象尽可能晚地出现，即意味着在这之前的搜索层中找到的节点个数已经 最大化了。对于对应的布线资源而言，这也就是说一个线网在经过相应级数的可编程连接后 所能连接到的其它线网的数目的最大化，这就直接地体现了结构的灵活性。3、 最小环最大化采用由单管连接构成的布线矩阵的开关盒结构进行试验，所涉及的布线资源图为无向图， 试验结果显示，当一个节点可以用不同方式被搜索到，那么从搜索起点到这个节点的不同路 径就可以构成一个环(图2)。若尽可能晚地出现重复搜索这一现象，也可以用"环的最大化" 来表示。在上述布线中，任何一个线网都有可能是布线的源端，而成为BFS的起点。因此对 于整个布线资源图来说，从任何一个节点开始都有"环的最大化"，这也就是整个布线资源图 的"最小环最大化"。所以，对于布线矩阵的开关盒结构，本方法用最小环尺寸来衡量它结构的灵活性。在节点数目一定，节点度数一定的情况下，最小环尺寸越大，就认为它越灵活。 4、布线矩阵的开关盒结构设计方法上述"最小环最大化"的结论为本专利技术新的布线矩阵的开关盒结构设计方法提供了依据， 其核心思想就是致力于使布线资源图的最小环尺寸最大化，能使得最终得到的布线矩阵的开 关盒结构灵活。本专利技术根据所要设计的布线矩阵的开关盒的通道宽度和连通度建立BFS树，节点数为上 下左右4个通道的线网的个数总和，即通道宽度的4倍，每个节点的出度为连通度。在建立 上述BFS搜索树时，在每一层中都让"搜索边"指向新的节点而成为"发现边"，直到剩下的 节点不足以构成一个无交叉边的新层，此时得到了一棵最优的BFS树。本方法在操作中，采用"破最小环法"来扩大最小环。首先，将布线矩阵的开关盒的结 构任意地初始化，然后找到结构中的最小环，改变组成这个最小环的边，以打破原来的最小 环，这样就消灭了一个最小环；然后重新寻找新的最小环，再打破它，重复进行一个"寻找 最小环一打破最小环"的步骤，逐步将那些小的环全打破，只留下大的环，最小环尺寸就得 以最大化了；最终得到最小环尺寸最大化的布线矩阵的开关盒结构。附图说明图1是三种经典开关盒结构，其中，(a)分离型(Disjoint); (b)通用型(Universal); (c)威尔顿型(Wilton)。 图2是广度优先搜索树，其中，实箭头线表示发现边，虚箭头线表示交叉边，实心点表示找到的点，空心点表示因交叉边而损失的点；(a) 为未出现交叉边，是理想的广度优先搜索树；(b) 为因存在交叉边而出现了环，最小环由椭圆处标出，尺寸为3。图3是一个通道宽度为24，线网连通度为3的布线矩阵的开关盒结构，其最小环尺寸为10。具体实施方案通过下述实施例进一步说明本专利技术，但不构成对本专利技术的限制。 实施例1生成一个通道宽度为24，线网连通度为3的布线矩阵开关盒 从任何一条线网出发进行BFS,如果要无重复搜索地进行到第5层，需要用到99个节点;而条件中通道宽度设为24说明一共只有96个节点，少了3个。因此在第5层将无法避免重 复搜索的出现，两条长度为5的重复搜索路径将导致一个环的出现。由此了解到，本实施例 所要求的这个布线矩阵开关盒的最小环尺寸最多优化到10。先任意地初始化布线矩阵开关盒，本实施例采用分离型(Disjoint)结构，其特点是所有 4个通道相连的时候，通道点线网的编号完全相同(图l(a))。用A、 B、 C、 D分别代表四个 方向的通道时，分离型布线矩阵开关盒就可以用"A=B， A=C， A=D， B=C， B二D， C=D"这六个式子表示每两个通道相连接时编号完全相同。从分离型布线矩阵开关盒找最小环，发现了 "AO—B0—C0—A0"本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于最小环的ＦＰＧＡ布线矩阵的开关盒设计方法，其特征是通过下述方法和步骤：　１）确立布线资源图　把互连结构映射成图，即布线资源图，其中线网为节点，可编程连接为边；　２）广度优先搜索　在一个布线资源图中，从一个节点开始做广度优 先搜索，在尽可能少的层数内搜索尽可能多的其它节点；　３）最小环最大化　采用由单管连接构成的布线矩阵的开关盒结构，用不同方式搜索其中一个节点，从搜索起点到该节点的不同路径构成一个环；当尽可能晚地出现重复搜索现象时，即环的最大化；对于整 个布线资源图，从任何一个节点开始都有“环的最大化”，即整个布线资源图的“最小环最大化”；　４）设计布线矩阵的开关盒结构　依据步骤３）的“最小环最大化”，设计布线矩阵的开关盒结构，使其中的布线资源图的最小环尺寸最大化，使得到的布线矩阵 的开关盒结构灵活。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：来金梅，余建德，王键，王元，童家榕，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]