第二章 大规模可编程逻辑器件

1可编程逻辑器件（PLD--ProgrammableLogicDevices）：用户构造逻辑功能传统数字系统由固定功能标准集成电路74/54系列、4000、4500系列构成。设计无灵活性,芯片种类多，数目大。第2章大规模可编程逻辑器件2可编程逻辑器件(PLD)是用来实现定制逻辑功能的、用户可自由配置的数字集成电路(ICs)。可编程逻辑器件可以利用其内部逻辑结构实现任何的布尔表达式或者寄存器功能。相反，象TTL器件等现有的逻辑集成电路（Ics）只能提供特定的逻辑功能，不能通过修改来满足具体电路的设计要求。3近年PLD的发展密度：单片已达1亿系统门速度：达1000MHz以上线宽：已达60nm，属甚深亚微米技术（VDSM—VeryDeepSubMicrometer）PLD最显著的特点：高集成度、高速度、高可靠、在系统编程（ISP_InSystemProgramming）PLD已占整个IC产值的40%以上。PLD的产量、集成度每年增加35%，成本降低40%。4Altera产品系列主要性能逻辑单元用户速度等级RAM（FF）I/O（ns）（位）APEXIIEP2A904000k8928011401,523,712APEX20KEP20K1500E1500k518408084442,368FLEX10KEPF10K10250k4992406424,576FLEX8000EPF805050k40323603FLEX6000EPF6024A24K19602185MAX9000EPM956012k56021212MAX7000EPM72565k25616010MAX5000EPM51923.75k192641ClassicEP18100.9k484820系列代表产品可用门数5Altera公司千万门级的FPGA(SOC):Stratix62.1可编程逻辑器件的两种主要结构PLD（FPGA、CLPD）种类繁多，特点各异。共同之处包括三大部分：a.一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD器件的逻辑核心。b.I/O(输入/输)出块。c.连接逻辑块的互连资源，用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。7PLD结构图输入/输出块互连资源逻辑块(逻辑阵列）8FPGA（FieldProgrammableGatesArray）CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）FPGA：现场可编程门阵列型FPGA具有门阵列的结构形式，它有许多可编程单元（或称逻辑功能块）排成阵列组成。逻辑单元的核心为由静态存储器（SRAM）构成的函数发生器，即查找表。特点：由多种长度不同的连线资源组成，每次布线的延迟可不同，属统计型结构，即每次执行的功能相同，却能给出不同的布线形式。9•一个N输入查找表(LUT，LookUpTable)可以实现N个输入变量的任何逻辑功能，如N输入“与”、N输入“异或”等。•输入多于N个的函数、方程必须分开用几个查找表（LUT）实现输出查黑找盒表子输入1输入2输入3输入4什么是查找表?100000010100000101输入A输入B输入C输入D查找表输出16x1RAM查找表原理多路选择器11用查找表实现4输入与门的原理12含查找表的逻辑单元：（FPGA）13CPLD：以逻辑宏单元为基础，加上内部的与或阵列和外围的I/O模块组成。逻辑单元主要由“与或阵列”构成。任意一个组合逻辑都可以用“与—或”表达式来描述，所以该“与—或阵列”的“乘积项”结构能实现大量的组合逻辑功能。特点：内部互连结构由固定长度的连线资源组成，布线的延迟确定，属确定型结构。14简单的“与或”阵列：（PAL、GAL、CPLD）15右图逻辑：O2=!I2&!I1&I0#I2&I0#I1&!I0O1=I2&!I1&!I0#I1&!I0O0=!I1&!I0#I2&!I1&!I0PAL结构逻辑功能可变化的硬件结构。16EPM7128系列CPLD的逻辑宏单元：17CPLD和FPGA的主要区别：1、结构上的不同（逻辑单元的构成不同）2、集成度的不同CPLD：500~50000门；FPGA：1K~10M门3、应用范围的不同CPLD逻辑能力强而寄存器少（1K左右），适用于控制密集型系统；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多（100多K），适于数据密集型系统。18Altera器件结构器件系列逻辑单元结构连线结构工艺APEX20K查找表连续SRAMFLEX10K查找表连续SRAMFLEX8000查找表连续SRAMFLEX6000查找表连续SRAMMAX9000乘积项连续EEPROMMAX7000乘积项连续EEPROMMAX5000乘积项连续EPROMClassic乘积项连续EPROM19Altera器件的用户I/0引脚和可用门器件系列用户I/O引脚可用门APEX20K99~780100000~1000000FLEX10K135~57010000~250000FLEX800078~2082500~50000FLEX600081~21816000~24000MAX9000159~2166000~12000MAX700036~212600~5000MAX500028~100600~375Classic22~68300~900202.2CPLD的结构与工作原理-以ALTERAMAX7000S系列为例LogicArrayBlock可编程连线阵列21PRNCLRNENA逻辑阵列全局清零共享逻辑扩展项清零时钟清零选择寄存器旁路并行扩展项通往I/O模块通往PIA乘积项选择矩阵来自I/O引脚全局时钟QDEN来自PIA（可编程连线阵列）的36个信号快速输入选择2MAX7000的宏单元结构222.3FPGA的结构与工作原理I/OBlockLogicBlockProgrammableInterconnect23FPGA分类基于查找表（Look-Uptable）技术，SRAM(10,000门以上)工艺的大规模FPGA。基于反熔丝（Anti-fuse）多路开关技术的FPGA。24基于查找表（LUT:Look-Uptable）：可编程逻辑块是查找表，由查找表构成函数发生器25多路开关类型：可编程逻辑块采用多路开关实现逻辑。ABFieldOxideDiffusionPolysiliconPLICEDielectric26编程后的逻辑连接示例ABAB+AB27...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCAlteraFLEX10K系列FPGA结构图...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCEABEAB嵌入式阵列块逻辑阵列块(LAB)逻辑宏单元（LE)快速通道互连28嵌入式阵列块EAB(EmbeddedArrayBlock)EAB模块图1、EAB结构2048位RAM数据线最宽8位地址线最宽11位29EAB可用于实现：FIFO、ROM、RAM、乘法器、数字滤波器、微处理器利用输入输出可编程寄存器EAB可实现：同步设计、异步设计30EAB与分布式RAM的比较：分布式RAM：4输入查找表构成(16x1)RAM。由分布式RAM组成大RAM时，存取时间变长，并占用大量器件资源。使用EAB占用器件资源少，速度快。31EAB与逻辑单元（LE）比较：EAB用作LUT，能实现较复杂的逻辑功能，占用器件面积更小，速度更快。逻辑单元实现相对简单的功能。如要实现较复杂功能，则所需逻辑单元较多，占用器件面积较大，速度变慢。32逻辑单元（LE）LE(LogicElement)是FLEX10K结构中的最小单元。33FPGA结构特点分段布线－性能不可预测，并且，设计每重复一次，性能都会改变SourceDest#1Dest#2传统FPGA的分段布线SourceDest#1:第一次布线:SourceDest#2:第二次布线:延迟大幅增加!!342.4如何选用CPLD/FPGA?适于实现复杂的组合逻辑适于实现复杂的状态机适于实现控制量多的逻辑应用举例：存储总线控制器译码逻辑适于实现数据通路功能适于实现寄存器用量大的设计适于实现算术功能：加法器、计数器等应用举例：DSP功能PCI接口乘积项结构/CPLD查找表结构/FPGA35第二章思考题1、Altera器件有哪些类型？各自特点是什么？2、FLEX10K系列器件的主要组成部分是什么？3、FLEX10K系列器件中的EAB的特点及其作用是什么？4、ISP有什么意义？5、CPLD和FPGA有什么差异？在实际应用中各有什么特点？