DE4425552A1 - Wafermaßstabsarchitektur für programmierbare Logikschaltungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen und insbesondere auf eine verbesserte Archi­ tektur für programmierbare Logikarrays.

Für diese Beschreibung ist eine programmierbare Logikschal­ tung als digitale Schaltung mit fester Verbindung definiert, die durch einen Anwender konfiguriert werden kann, um andere digitale Systeme mit willkürlichen Topologien bei hoher Ge­ schwindigkeit zu emulieren. Sie kann verwendet werden, um sowohl Hochgeschwindigkeitslogiksimulatoren als auch konfi­ gurierbare Berechnungsmaschinen zu entwerfen, die fähig sind, Supercomputer bei bestimmten Zielen für einen Bruch­ teil der Kosten zu übertreffen. Programmierbare Logiksy­ steme, die zum Emulieren großer digitaler Schaltungen (mit hunderttausenden von Gattern) fähig sind, sind teuer, wobei sie typischerweise Kosten in der Größenordnung von einem bis zwei US-Dollar pro emuliertes Gatter aufweisen und eine große Anzahl von integrierten Schaltungen erfordern, die über mehrere komplexe gedruckte Schaltungsplatinen verteilt sind.

Eine Klasse von programmierbaren Logikschaltungen basiert auf der Field Programmable Gate Array Technology (FPGA- Technology = Feldprogrammierbare Gatterarray-Technik). Die grundsätzliche Idee bei diesem Ansatz besteht darin, eine Anzahl von FPGAs zusammen in einer festen Topologie zu ver­ binden. Jedes FPGA schließt zwei Arten von Mitteln ein: (1) eine Anzahl von Logikzellen, die programmiert oder konfigu­ riert werden können, um eine bestimmte logische Funktion auszuführen (wie z. B. "UND" oder "EXLUSIVE ODER"); und (2) Signalführungsmittel, die programmiert sein können, um die Logikzellen miteinander und mit externen Eingangs/Ausgangs- Anschlußstiften zu verbinden. Das programmierte FPGA bildet folglich eine nützliche logische Schaltung, die eine Teil­ menge des gesamten zu simulierenden Logiksystems ist; der gesamte Satz von FPGAs simuliert dann zusammen das erwünsch­ te Logiksystem. Nachdem die FPGAs in diesen Architekturen feste physikalische Verbindungen zwischeneinander haben, die nicht verändert werden können, erfordert die Simulierung ei­ nes Logiksystems eine Abbildung der Schaltung des interes­ sierenden Logiksystems auf die verbundenen FPGAs derart, daß die Logikfunktionen und Verbindungen der ursprünglichen Schaltung genau durch die Programmierung der FPGAs darge­ stellt ist. Eine Hochgeschwindigkeitssimulation ist möglich, nachdem die Logikzellen innerhalb der FPGAs ihre Berechnun­ gen parallel durchführen, wobei sie ihre Ergebnisse mitein­ ander durch das Signalführungsnetzwerk austauschen.

Der Entwurf einer programmierbaren Logikschaltung mit einer hohen Kapazität (größer als 1 000 000 Gatter) und hoher Ge­ schwindigkeit (einer Taktrate größer als 1 MHz) beinhaltet verschiedene, oft einander entgegenstehende, Herausforde­ rungen. Erstens ist die Abbildung oder "Übersetzung" eines willkürlichen Logiksystems auf die feste Topologie ein schwieriges und berechnungsmäßig potentiell teueres Verfah­ ren. Dieses Problem wird im wesentlichen reduziert, wenn es die Architektur ermöglicht, das Abbildungsproblem in einen Satz einfacherer, locker verbundener Teilprobleme aufzu­ teilen.

Weil eine typische programmierbare Struktur zur Emulation einer großen Vielzahl von möglichen Anwenderentwürfen oder Algorithmen verwendet wird, existiert zweitens eine erheb­ lich höhere Signalführung und logischer "Mehraufwand" als es bei einem optimierten Layout des Entwurfs eines Anwenders sein würde. Dieser Mehraufwand muß innerhalb sinnvoller Grenzen gehalten werden, während immer noch ein übersetzba­ res Ziel vorhanden ist.

Drittens sind der Entwurf der Architektur und dessen Ausfüh­ rung notwendigerweise miteinander verbunden, wenn die Daten­ wege bezüglich der Verzögerung optimiert werden.

Abschließend beeinflußt die Topologie und die physikalische Organisation der Architektur direkt die Schwierigkeit ihrer Ausführung. Reguläre Strukturen mit einfachen Verbindungen sind leichter zu bauen.

Auf diese Probleme wird am besten durch Logikstrukturen ein­ gegangen, die eine hierarchische Struktur für das Signal­ führungsstrukturnetzwerk verwenden. Die Signalführungsstruk­ tur besteht aus einem Baum aus Signalführungsschaltungen. Der Wurzelknoten des Baums stellt die Eingangs- und Aus­ gangsleitung für das FPGA bereit. Die Blattknoten des Baums sind mit den Logikzellen verbunden.

Es wäre vorteilhaft, eine solche Struktur auf einem einzel­ nen Wafer bereitzustellen, um die Anzahl von externen Ver­ bindungen zu minimieren. Bekannte Architekturen von program­ mierbaren Logiksystemen weisen ein Fehlen ihrer Anpassungs­ fähigkeit an eine Wafermaßstabsintegration auf. Bei bekann­ ten Systemen wurde die Signalführungsfunktion auf getrennten Signalführungschips ausgeführt. D.h. das System wurde aus zwei Klassen von grundsätzlichen Chips, Signalführungs- und Logik-Chips, aufgebaut. Dieser Ansatz hat zwei Hauptnachtei­ le, wenn er auf Entwürfe, die eine Wafermaßstabsausführung erfordern, angewendet wird. Wenn die Topologie des Systems verändert wird, muß erstens der Wafer vollständig neu ent­ worfen werden. Wenn man z. B. ein System mit einer unter­ schiedlichen Anzahl von Ebenen der Baumsignalführungsstruk­ tur entwerfen würde, wäre es notwendig, die Größe und Form aller Signalführungszellen zu ändern. Die neuen Zellen müßten dann auf dem Wafer angepaßt werden.

Zweitens umfaßt diese Art des Entwurfs Schwierigkeiten beim Anpassen von Komponentenfehlern. Ein wichtiger Aspekt der Wafermaßstabsintegration ist die Notwendigkeit, Komponen­ tenherstellungsfehler anzupassen. Typischerweise werden zu­ sätzliche Komponenten vorgesehen und einige Einrichtungen zum Ersetzen der fehlerhaften Komponenten durch die zusät­ zlichen Komponenten sind vorgesehen. Alternativ sollte das System fähig sein, ohne eine oder mehrere dieser Komponenten angemessen zu funktionieren, vorausgesetzt die Orte der nicht-funktionierenden Komponenten sind bekannt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ver­ bessertes FPGA-System zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Logik- und Signalführungszelle nach Anspruch 1 gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein FPGA-System geschaffen wird, das leichter als bekannte FPGA-Systeme an die Wafermaßstabsintegration anpaßbar ist.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht da­ rin, daß ein FPGA geschaffen wird, das aus einer einzelnen Teileinheit aufgebaut sein kann.

Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Logik- und Signalfüh­ rungszelle, die insbesondere gut zur Verwendung beim Aufbau von FPGAs angepaßt ist. Die Logik- und Signalführungszelle schließen eine Logikzelle mit einem Logikzellenbus ein, der p Signalleitungen einschließt, wobei p<1. Die Logikzelle führt Operationen bezüglich Signalen durch, die auf zumin­ dest einer der Signalleitungen empfangen werden, und erzeugt Signale auf zumindest einer der Signalleitungen, die die Ergebnisse der Operationen anzeigen. Die Logik- und Signal­ führungszelle schließt ebenfalls eine Mehrzahl von Signal­ bussen ein, wobei jeder Signalbus eine Mehrzahl von Signal­ leitungen einschließt. Die Signalbusse sind aufeinanderfol­ gend von Null bis zu einer vorbestimmten Zahl numeriert. Die Logik- und Signalführungszelle schließt ebenfalls eine Mehr­ zahl von programmierbaren Schaltern ein, wobei jeder Schal­ ter Verbindungen zwischen einer Signalleitung in einem der Busse und einer Signalleitung in einem weiteren der Busse herstellt. Die Schalter sind derart angeordnet, daß zumin­ dest eine der Signalleitungen im Signalbus k mit zumindest einer der Signalleitungen im Signalbus (k-1) verbunden wer­ den kann, für k=1, 2, . . . , und jede der p Signalleitungen in dem Logikzellenbus kann mit einer Signalleitung im Bus 0 verbunden sein.

Eine Mehrzahl dieser Logik- und Signalführungszellen kann zusammengeschaltet sein, um ein FPGA zu bilden. Die Signal­ leitungen der ungradzahlig numerierten Busse sind in einem horizontalen parallelen Array angeordnet, und die Signallei­ tungen der gradzahlig numerierten Busse sind in einem ver­ tikalen parallelen Array angeordnet. Jede Signalleitung in einer Logik- und Signalführungszelle ist mit einer entspre­ chenden Signalleitung in einer benachbarten Logik- und Sig­ nalführungszelle verbunden, vorausgesetzt, eine benachbarte Zelle ist vorhanden, und vorausgesetzt, daß keine Unterbre­ chung der Signalleitung vorhanden ist. Unterbrechungen der Signalleitungen sind an vorbestimmten Orten - des zweidimen­ sionalen Arrays vorhanden, wobei die Orte von der Busnummer abhängen, in der die Signalleitung enthalten ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines hierarchischen FPGA;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines bekannten Layouts eines hierarchischen FPGA;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Logik- und Signalführungs­ zelle gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines Abschnitts eines FPGA, das aus den Logik- und Signalführungszellen der vor­ liegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 5-8 die Busverbindungen auf verschiedenen Ebenen eines beispielhaften FPGA gemäß der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 9 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei­ spiels einer Logik- und Signalführungszelle gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei­ spiels einer Logik- und Signalführungszelle gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Architektur für pro­ grammierbare Logikschaltungen, die auf die Stärken und Schwächen der Wafermaßstabsintegration gut angepaßt ist, wobei die Möglichkeit für programmierbare Logiksysteme mit geringeren Kosten und besserem Verhalten geschaffen wird, als dies bisher erreicht wurde. Die Architektur ist ausge­ hend von einer einzelnen Zelle aufgebaut, die sowohl die Si­ gnalführungsstruktur für ein Mehrebenensignalführungsnetz - werk als auch eine Logikzelle einschließt. Die Zellen können dann auf eine solche Art kombiniert werden, daß sie die Oberfläche eines Wafers kachelartig bedecken.

Die vorliegende Erfindung kann anhand eines einfachen FPGAs, das einen hierarchischen Signalführungsentwurf verwendet, wie es in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, leichter verstanden werden. Das FPGA 10 besteht aus einer Mehrzahl von Logikzellen 12-19, die durch drei Ebenen von Routern (Signalführungsvorrichtungen), die bei 22-24 gezeigt sind, verbunden sind. Die erste Ebene der Router besteht aus den vier Routern, die die Logikzellen verbinden. Die zweite Ebene der Router besteht aus den Routern 25 und 26, die die erste Ebene der Router verbinden. Die abschließende Ebene der Router, die bei 24 gezeigt ist, besteht aus dem Router 27, der die zweite Ebene der Router verbindet und die Ein­ gangs/Ausgangsleitungsverbindungen bereitstellt. Jeder der Router umfaßt eine Mehrzahl von Schaltpunkten zur Herstel­ lung von Querverbindungen zwischen den Bussen, die den Router verlassen, und den Bussen, die in den Router eintre­ ten. Ein typischer Schaltpunkt ist bei 30 gezeigt. Diese Querverbindungsschalter werden verwendet, um verschiedene Verbindungen zwischen den Logikzellen und der Eingangs- und Ausgangsleitung herzustellen. Ein Weg, der die Logikzellen 12 und 15 verbindet, ist in Fig. 1 fettgedruckt dargestellt.

Die Art, auf die ein FPGA dieser Art bei bekannten Systemen entworfen wurde, ist in Fig. 2 bei 100 gezeigt. Das FPGA 100 schließt drei Ebenen von Routern mit einer Ausgangsverzwei­ gung (fan-out) von vier ein. Jede Ebene der Router verbindet vier Router (oder Logikzellen) in der Ebene unter dieser. Die Ebenen der Router können als ein Satz von geschachteten Zellen betrachtet werden, die die Oberfläche der integrier­ ten Schaltung bedecken. Das kleinste Netzwerk besteht aus den Logikzellen und den Routern der Ebene 0. Der Router 101 ist z. B. mit vier Logikzellen verbunden, von denen die Lo­ gikzelle 104 eine typische ist. Vier solcher Verbindungen sind dann mit dem Router 102 verbunden. Vier Kombinationen, die bei einem Router der Ebene 1 abschließen, sind dann mit dem Router 103 verbunden, und so weiter.

Während diese Art der Struktur die Oberfläche eines Wafers füllt und daher eine effiziente Verwendung der Oberfläche erzeugt, hat sie verschiedene Nachteile. Erstens gibt es eine große Anzahl von unterschiedlichen Strukturen, die not­ wendig sind, um das FPGA 100 aufzubauen. Jede Routerebene verwendet Router, die sich von denen, die in anderen Ebenen verwendet werden, unterscheiden. Daher würde ein System mit einer Ausgangsverzweigung von vier mit 64 000 Logikzellen acht Ebenen von Routern zusätzlich zu den Logikzellen erfor­ dern. Daher werden neun grundsätzliche Strukturen benötigt, um ein solches System aufzubauen. Wenn z. B. die Logikzelle oder der Schalterentwurf, der bei den Routern verwendet wird, verändert wird, müssen alle Routerstrukturen neu ent­ worfen werden, um sich der neuen Beabstandung auf dem Wafer anzupassen. Daher können die Kosten der Änderung eines großen FPGA-Entwurfs unerschwinglich sein.

Zweitens erfordert die Wafermaßstabsintegration eine Ein­ richtung zum Anpassen defekter Schaltpunkte und/oder Logik­ zellen. Wenn eine Logikzelle fehlerhaft ist, kann das Sy­ stem, das die Anwendungen, die auf dem FPGA laufen, über­ setzt, die Logikzelle vermeiden. Ein fehlerhafter Schalt­ punkt kann jedoch den Verlust vieler Logikzellen verursa­ chen, wenn der Router, dem diese angeordnet ist, deaktiviert wird. Bekannte FPGA-Systeme stellen für solche Fehler keine Möglichkeit bereit, die verhindert, daß der Router und sein zugeordneter Teil-Baum verlorengeht.

Ein FPGA gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus einer einzelnen Logik- und Signalführungszelle aufgebaut, die die Signalführungsfunktionen eines hierarchischen Mehrebenensy­ stems, wie z. B. die teilweise Kachelung, die in Fig. 2 ge­ zeigt ist, mit der Logikzelle verbindet. Eine Logik- und Signalführungszelle 200 gemäß der vorliegenden Erfindung ist schematisch in Fig. 3 gezeigt. Bzgl. einer Logikzelle wird angenommen, daß diese P Anschlußstifte hat, die über einen Bus 204 mit einem Signalführungsbus 207 der Ebene 0 verbun­ den sind. Schaltpunkte 230 werden verwendet, um bestimmte Verbindungen zwischen den Leitungen des Busses 204 und denen des Busses 207 herzustellen. Die Anzahl von Leitungen im Bus 207 wird K mal P sein. Die Art, auf die K bestimmt wird, wird im folgenden genauer beschrieben. Für die derzeitige Beschreibung ist es ausreichend festzustellen, daß es die Kreuzpunkte jeder der P Leitungen im Bus 204 ermöglichen, mit einer oder mehr eines entsprechenden Satzes von K Lei­ tungen im Bus 207 verbunden zu werden. Verbindungen zwischen den Signalführungsfunktionen der Ebene 0 und den Signalfüh­ rungsfunktionen der Ebene 1 sind durch die Kreuzpunkte 231 vorgesehen. Die Kreuzpunkte 231 verbinden die QP Leitungen des Busses 213 mit den KP Leitungen des Busses 207. Die Art, auf die Q bestimmt wird, wird ebenfalls im folgenden genauer beschrieben.

Im allgemeinen existiert ein Bus für jede Signalführungsebe­ ne. Die geraden Ebenen entsprechen den horizontalen Bussen 207-209. Die ungeraden Ebenen entsprechen den vertikalen Bussen 211-213. Die Anzahl von Leitungen in den geraden Bus­ sen sind bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung gleich. Auf ähnliche Weise ist die Anzahl der Leitungen in den Bussen der ungeraden Ebenen in dem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ebenfalls gleich. Ausführungsbeispiele, die dieser Regel nicht folgen, werden jedoch trotzdem funktionieren. Dazwi­ schen existiert ein Satz von Schaltpunkten, die jede Ebene der Busse verbinden; daher wird der k-te Bus einen Satz von Schaltpunkten haben, die ihn mit dem (k-1)-ten Bus verbinden und einen weiteren Satz von Schaltpunkten, die ihn mit dem (k+1)-ten Bus verbinden.

Die optimale Anzahl von horizontalen und vertikalen Signal­ führungsleitungen, die für jeden Router benötigt werden, ist eine Funktion der Ausgangsverzweigung der Signalführungsstu­ fen in der Hierarchie und der Anzahl der Logikmodule in dem FPGA. Die Anzahl kann durch Verwendung der Regel von Rent bestimmt werden. Die Regel von Rent besagt, daß eine Logik­ schaltung, die aus n Komponenten, z. B. Logikgattern, mit einem Durchschnitt von p Signalanschlußstiften pro Kompo­ nente besteht, pn^α Eingangs- und Ausgangssignale erfordert, wobei α eine Zahl zwischen 0,5 und 0,75 ist.

Eine wichtige Anwendung der Regel von Rent ist die ungefähre Vorhersage der Ergebnisse einer Min-Cut-Aufteilung (= Auf­ teilung mit minimalem Schnitt) eines Logiksystems. Min-Cut- Aufteilungen beziehen sich auf den Prozeß der Aufteilung einer Schaltung in N ungefähr gleichgroße Teile, derart, daß die Anzahl von Signalen, die von einem Teil zu einem wei­ teren übergeht, minimal ist. Es sei z. B. eine Schaltung mit g Gattern mit einem Durchschnitt von p Anschlußstiften pro Gatter angenommen, die in zwei Teile unter Verwendung der Min-Cut-Aufteilung geteilt wird. Nach der Aufteilung wird jede Halbschaltung aus etwa g/2 Gattern bestehen. Für die Anzahl von Signalleitungen, die durch die Aufteilung aufge­ schnitten werden, würde erwartet werden, daß diese bei p(g/2)^α liegt. Durch rekursives Anwenden der Min-Cut-Auftei­ lungsprozedur auf eine Schaltung, bis in jedem Teil eine kleine Anzahl von Zellen existiert, kann eine hierarchische Struktur gewonnen werden. Jede Ebene der Hierarchie stellt eine Ebene der Aufteilung dar.

Ein Signalführungsteilnetzwerk kann als ein horizontales Array von Routern ausgeführt sein. Jeder Router verbindet ß Signalleitungen mit der Ebene über ihm und mit N Sätzen von γ Signalleitungen der Ebene unter ihm. In dem Fall, in dem N=4 und α=0,5 ist, kann gezeigt werden, daß β=2γ ist. Es kann ebenfalls gezeigt werden, daß für ein FPGA mit t Logik­ zellen die optimale Anzahl von horizontalen Leitungen pro Zelle etwa (3p/4)log₂(t) ist, und die optimale Anzahl von vertikalen Leitungen pro Zelle etwa (3p/8)log₂(t) ist.

Die Schaltpunkte, die die horizontalen und vertikalen Lei­ tungen verbinden, müssen nicht vollständig besetzt sein. Jede horizontale oder vertikale Leitung entspricht einer horizontalen Leitung in einem Router in einem topologisch äquivalenten Netzwerk, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Die horizontalen Routerleitungen in dem hierarchischen Netzwerk haben alle eine feste Anzahl von Schaltern darauf. Daher ist es für jede Leitung in dem abschließenden Netzwerk, das durch die Verbindung der Logik- und Signalführungszellen miteinander erhalten wird, ausreichend, dieselbe Anzahl von Schaltern zu haben. Wie es im folgenden genauer beschrieben werden wird, sind Signalführungsleitungen höherer Ebenen bei dem abschließenden Gatterarray länger; daher kann die Anzahl von Schaltern von Längeneinheit, d. h. pro Logik- und Signal­ führungszelle niedriger sein als für Signalführungsleitungen niedrigerer Ebenen. Es sei angenommen, daß die Ebene 0/Ebene 1-Schaltpunkte vollständig besetzt sind, d. h. es existiert an jeder Schnittstelle einer horizontalen und einer verti­ kalen Signalführungsleitung ein Schalter, dann müssen die Ebene 2/Ebene 3-Schaltpunkte und die Ebene 3/Ebene 4-Schalt­ punkte lediglich zu einem Viertel besetzt sein. Auf ähnliche Weise müssen die Ebene 4/Ebene 5-Schaltpunkte lediglich zu 1/16 besetzt sein.

Es wird darauf hingewiesen, daß die obige Abstimmung für die optimale Anzahl von Signalleitungen und Schaltpunkten an­ nimmt, daß es in keiner der Signalleitungen oder in keinem der Schaltpunkte Defekte gibt. Zusätzliche Signalleitungen und Schaltpunkte können eingeschlossen sein, um in dem Fall, daß das nachfolgende Testen einer Logikzelle anzeigt, daß diese einen Fehler aufweist, Ersatz bereitzustellen.

Die Art, auf die die Logik- und Signalführungszellen gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden sind, um ein FPGA zu bilden, wird nun für den Fall N=4 detaillierter beschrieben. Fig. 4 zeigt einen Abschnitt eines FPGA 300, das aus Logik- und Signalführungszellen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Eine typische Logik- und Signalführungszelle ist bei 302 gezeigt. Die Signalführungsbusse der Ebene 0, 2 und 4 sind bei 303-305 gezeigt. Die Signalführungsbusse der Ebene 1, 3 und 5 sind bei 306-308 gezeigt. Die niedrigste Ebene der Hierarchie, die als Ebene 0 bezeichnet wird, ist durch horizontales Verbinden von Gruppen von vier Logik- und Signalführungszellen aufgebaut. Eine typische Gruppe ist bei 312 gezeigt. Innerhalb dieser Gruppe sind die Signalführ­ ungsbusse 303-305 jeder Zelle mit den entsprechenden Signal­ führungsbussen der benachbarten Logik- und Signalführungs­ zelle verbunden. An den Grenzen der Gruppe ist eine Unter­ brechung im Signalführungsbus der Ebene 0 eingefügt, wie es bei 310 gezeigt ist.

Auf ähnliche Weise ist die erste Ebene der Hierarchie durch Gruppieren von vier horizontalen Gruppen der Ebene 0 aufge­ baut, um eine 4×4-Gruppierung von Logik- und Signalführungs­ zellen zu bilden. Solche Gruppierungen sind bei 314 und 316 gezeigt. Innerhalb jeder dieser 4×4-Gruppierungen sind alle vertikalen Busse 306-307 einer gegebenen Logik- und Signal­ führungszelle mit den entsprechenden vertikalen Bussen der benachbarten Logik- und Signalführungszellen verbunden. An den Grenzen der Gruppe ist in jedem der Busse der Ebene 1 eine Unterbrechung eingefügt, wie es bei 320 gezeigt ist.

Die zweite Ebene der Hierarchie ist durch Kombinieren von vier der 4×4-Gruppierungen in der horizontalen Richtung auf­ gebaut. Innerhalb der Gruppierung der zweiten Ebene sind die Signalführungsbusse der Ebene 2, 3, 4 . . . jeder der Zellen mit den entsprechenden Bussen der benachbarten Zellen verbunden. An den Grenzen jeder Gruppierung der zweiten Ebene ist in dem Signalführungsbus der Ebene 2 jeder Zelle an der Kante eine Unterbrechung eingefügt.

Die dritte Ebene der Hierarchie ist durch Kombinieren von vier Ebene 2 Gruppierungen in der vertikalen Richtung aufge­ baut. Innerhalb der Gruppierung der dritten Ebene sind die Signalführungsbusse der Ebenen 3, 4, . . . jeder Zelle mit den entsprechenden Bussen der benachbarten Zellen verbunden. An den Grenzen jeder Gruppierung der dritten Zelle ist in dem Signalführungsbus der Ebene 3 jeder Zelle an der Kante eine Unterbrechung eingefügt. Eine vereinfachte Darstellung der Busverbindungen der Ebenen 0-3 für den gesamten 16×16-Array von Logik- und Signalführungszellen, ist in den Fig. 5-8 ge­ zeigt. Dieser Prozeß wird für so viele Ebenen fortgeführt, wie sie in dem bestimmten FPGA erwünscht sind.

Die Art, auf die die horizontalen und vertikalen Busse bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung verbunden werden, kann mit Bezug auf Fig. 9 leichter verstanden werden, die eine Logik- und Signalführungszelle 400 mit einer Logikzelle 402 darstellt. Die horizontalen Busse 412 sind mit der nächsten horizontalen Zelle über ei­ nen Satz von programmierbaren, bi-direktionalen Puffern 420 an der Schnittstelle mit der benachbarten Zelle auf einer Seite verbunden. Auf ähnliche Weise sind die vertikalen Bus­ leitungen 414 mit der benachbarten vertikalen Zelle über ei­ nen Satz von programmierbaren, bi-direktionalen Puffern 410 an der Schnittstelle mit der benachbarten Zelle über dieser Zelle verbunden. Jeder Puffer kann programmiert sein, um die Leitungen auf jeder seiner Seiten zu isolieren. Daher können die Signalübertragungsleitungslängen einfach durch geeignete Konfiguration der Puffer bestimmt werden.

Es ist für Fachleute offensichtlich, daß die Unterbrechungen der Pufferleitungen ebenfalls nur durch Aufbrechen der Lei­ tungen an geeigneten Orten hergestellt werden könnten. Die­ ser Ansatz hat den Vorteil, daß keine Puffer auf jeder Lei­ tung jeder Logik- und Signalführungszelle benötigt wird. Dieser Ansatz führt jedoch zu einer Zellenstruktur, bei der jede Logik- und Signalführungszelle nicht ganz identisch zu jeder anderen Logik- und Signalführungszelle ist. Es ist für Fachleute ebenfalls offensichtlich, daß eine Kombination dieser zwei Ansätze verwendet werden kann.

Die oben beschriebene Architektur ist auf die Wafermaßstabs­ integration gut angepaßt. Ein FPGA-Chip kann selbst über einen Wafer gekachelt sein. Die einzelnen Chips sind auf dem Wafer derart ausgerichtet, daß die horizontalen und vertika­ len Signalübertragungsleitungen von benachbarten Chips ver­ bunden sind. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung enthält jeder Chip eine Konfigurati­ ons- und Steuerungsschaltung für die Logik- und Signalfüh­ rungszellen innerhalb seines Bereichs.

Während die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung bezüglich der gleichen Ausgangsverzwei­ gung auf jeder Ebene der Hierarchie beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, daß Systeme mit vermischter Ausgangsverzweigung, bei der alle Router auf einer gegebenen Ebene die gleiche Ausgangsverzweigung haben, möglich sind. Bei einem solchen System kann die Ausgangsverzweigung bei unterschiedlichen Ebenen der Hierarchie unterschiedlich sein. Die bevorzugte Ausgangsverzweigung liegt im Bereich von 4 bis 16.

Während die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vor­ liegenden Erfindung eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellen, können, wenn dies der Raum ermöglicht, den Logik- und Signalführungszellen zusätzliche Kreuzschienenschalter hinzugefügt werden, um das Systemver­ halten zu verbessern. Eine Logik- und Signalführungszelle 500, die diese zusätzlichen Schaltpunkte verwendet, ist in Fig. 10 dargestellt. Die Logik- und Signalführungszelle 500 unterscheidet sich von den oben beschriebenen Logik- und Signalführungszellen dahingehend, daß die Logikzelle 502 ebenfalls direkt mit allen Ebenen der Signalführungshierar­ chie verbunden ist. Dies wird durch Einführen von Schalt­ punkten erreicht, die die p Signalleitungen der Logikzelle 502 mit den Signalleitungen jedes Signalführungsbusses ober­ halb des Signalführungsbusses der Ebene 0 verbinden. Die Schaltpunkte, die den Bussen 504 und 505 entsprechen, sind bei 531 bzw. 532 dargestellt. Diese entsprechen den ungrad­ zahligen Ebenen 506-508, die bei 520-522 gezeigt sind. Keine zusätzlichen Schaltpunkte sind für den Signalführungsbus 503 der Ebene 0 nötig, da dieser Bus bereits mit den Signallei­ tungen der Signalführungszelle 502 verbunden ist.

Die Verbindung einer Logikzelle mit allen Schichten der Sig­ nalführung, die durch die Logikzelle führen, ermöglicht Ab­ kürzungen bei der Signalführung. Ohne zusätzliche Schalt­ punkte muß ein Signal, das zwei weit beabstandete Logikzel­ len verbindet, von seiner Quelle aus die Hierarchie nach oben laufen und dann die Hierarchie zurück nach unten zu seinem Ziel laufen. Die zusätzlichen Verbindungen ermög­ lichen es, dies durch direktes Hüpfen von der Signalquelle zu der höchsten Ebene der Signalführung, die benötigt wird, um die Verbindung mit dem Ziel herzustellen, abzukürzen. Auf ähnliche Weise kann das Signal am Zielpunkt direkt von einer Ebene höher als Null geführt werden. Diese Art der Signal­ führung reduziert den Mehraufwand und die Laufzeitverzöge­ rungen.

Claims (5)

1. Logik- und Signalführungszelle (200, 400, 500) mit folgenden Merkmalen:
einer Logikzelle (202, 402) mit einem Logikzellenbus (204), der p Signalleitungen einschließt, wobei die Logikzelle Operationen bezüglich der Signale ausführt, die auf zumindest einer der Signalleitungen empfangen werden, und die Signale auf zumindest einer der Signal­ leitungen erzeugt, die die Ergebnisse der Operationen anzeigen;
einer Mehrzahl von Signalbussen (2073-209, 211-213, 412, 414), wobei jeder Signalbus eine Mehrzahl von Signallei­ tungen einschließt, wobei die Signalbusse (207-209, 211-213, 412, 414) aufeinanderfolgend von Null bis zu einem vorbestimmten Wert numeriert sind; und
einer Mehrzahl von programmierbaren Schaltereinrich­ tungen (231, 232), wobei jede der Schaltereinrichtungen eine Einrichtung zum Verbinden einer Signalleitung in einem der Busse (207-209, 211-213, 412, 414) mit einer Signalleitung eines weiteren der Busse (207-209, 211- 213, 412, 414) schafft, wobei die Mehrzahl von Schalter­ einrichtungen (231, 232) derart angeordnet ist, daß zu­ mindest eine der Signalleitungen im Signalbus k mit zu­ mindest einer der Signalleitungen im Signalbus (k-1), für k=1 bis zu dem vorbestimmten Wert, verbunden werden kann, und daß jede der p Signalleitungen in dem Logik­ zellenbus (204) mit einer Signalleitung im Bus 0 ver­ bunden sein kann.

2. Logik- und Signalführungszelle nach Anspruch 1, die ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Mehrzahl von programmierbaren Puffereinrichtungen (410, 420), wobei jede Puffereinrichtung (410, 420) in die entsprechende Signalleitung der Signalbusse (207- 209, 211-213, 412, 414) integriert ist, wobei jede Puf­ fereinrichtung (410, 420) eine Einrichtung umfaßt, um eine Unterbrechung der Signalleitung, in die diese inte­ griert ist, hervorzurufen.

3. Logik- und Signalführungszelle nach Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von programmierbaren Schalteinrichtungen (231, 232) jeder der p Signalleitungen in der Logikzelle ermöglicht, mit einer entsprechenden Signalleitung in jedem der Signalbusse (207-209, 211-213, 412, 414) ver­ bunden zu werden.

4. Ein Gatterarray, das einen zweidimensionalen Array aus Logik- und Signalführungszellen (200, 400, 500) umfaßt, wobei jede Logik- und Signalführungszelle folgende Merk­ male aufweist:

eine Logikzelle (202, 402) mit einem Logikzellenbus (204), der p Signalleitungen einschließt, wobei die Lo­ gikzelle Operationen bezüglich Signalen durchführt, die auf zumindest einer der Signalleitungen empfangen wer­ den, und die Signale auf zumindest einer der Signallei­ tungen erzeugt, die die Ergebnisse der Operationen an­ zeigen;
eine Mehrzahl von Signalbussen (207-209, 211-213, 412, 414), wobei der Signalbus eine Mehrzahl von Signallei­ tungen einschließt, wobei die Signalbusse (207-209, 211-213, 412, 414) aufeinanderfolgend von Null bis zu einem vorbestimmten Wert numeriert sind; und
eine Mehrzahl von programmierbaren Schalteinrichtungen, wobei jede der Schalteinrichtungen eine Einrichtung zum Verbinden einer Signalleitung in einem der Busse (207-209, 211-213, 412, 414) mit einer Signalleitung in einem weiteren der Busse (207-209, 211-213, 412, 414) bereitstellt, wobei die Mehrzahl von Schalteinrichtungen (231, 232) derart angeordnet ist, daß zumindest eine der Signalleitungen im Signalbus k mit zumindest einer der Signalleitungen (k-1), für k=1 bis zu dem vorbestimmten Wert, verbunden werden kann, und daß jede der p Sig­ nalleitungen in dem Logikzellenbus (204) mit einer Sig­ nalleitung im Bus 0 verbunden sein kann,
wobei die Signalleitungen der ungradzahligen Busse (211-213, 414) in einem horizontalen parallelen Array angeordnet sind, und die Signalleitungen der geradzah­ ligen Busse (207-209, 412) in einem vertikalen paral­ lelen Array angeordnet sind,
wobei jede Signalleitung in einer Logik- und Signalfüh­ rungszelle mit einer entsprechenden Signalleitung in einer benachbarten Logik- und Signalführungszelle ver­ bunden ist, vorausgesetzt eine benachbarte Zelle ist vorhanden und vorausgesetzt, daß keine Unterbrechung der Signalleitung vorhanden ist, und
wobei Unterbrechungen der Signalleitungen an vorbestimm­ ten Orten des zweidimensionalen Arrays vorhanden sind, wobei die Orte von der Busnummer abhängen, die die Sig­ nalleitung enthält.