1.1 可编程逻辑器件概述

第1章FPGA系统设计基础内容提要本章介绍了可编程逻辑器件的编程器件工作原理，可编程逻辑器件的基本结构和电路表示方法，现代数字系统的设计方法，优秀FPGA设计的重要特征，可编程逻辑器件的一般设计流程，基于MAX十plusⅡ的设计流程，基于QuartusⅡ的设计流程，基于ISE的设计流程，Altera的可编程逻辑器件设计工具，Xilinx的可编程逻辑器件设计工具。知识要点可编程逻辑器件FPGA设计方法设计流程设计工具。教学建议本章的重点是掌握现代数字系统的设计方法和FPGA设计流程的概念。建议学时数为2～4学时。FPGA的设计方法和设计流程，需要通过实际的设计过程加深理解。注意不同设计工具的特点，注意不同设计工具的设计流程的相同点和不同点。FPGA设计工具的使用需要在以后章节中进行学习。1.1可编程逻辑器件基础1.1.1概述可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，简称为PLD）是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件，是目前数字系统设计的主要硬件基础。目前生产和使用的PLD产品主要有PROM、现场可编程逻辑阵列FPLA（FieldProgrammableLogicArray）、可编程阵列逻辑PAL（ProgrammableArrayLogic）、通用阵列逻辑GAL（GenericArrayLogic）、可擦除的可编程逻辑器件EPLD（ErasableProgrammableLogicDevice）、复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）、现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）等几种类型。其中EPLD、CPLD、FPGA的集成度较高，属于高密度PLD。1.1.1概述可编程只读存储器PROM（包括EPROM、EEPROM）其内部结构是由“与阵列”和“或阵列”组成。它可以用来实现任何以“积之和”形式表示的各种组合逻辑。可编程逻辑阵列PLA是一种基于“与一或阵列”的一次性编程器件，由于器件内部的资源利用率低，现已不常使用。可编程阵列逻辑PAL也是一种基于“与一或阵列”的一次性编程器件组成。PAL具有多种的输出结构形式，在数字逻辑设计上具有一定的灵活性。通用可编程阵列逻辑GAL是一种电可擦写、可重复编程、可设置加密位的PLD器件。GAL器件有一个可编程的输出逻辑宏单元OLMC，通过对OLMC配置可以得到多种形式的输出和反馈。比较有代表性的GAL芯片是GAL16V8、GAL20V8和GAL22V10，这几种GAL几乎能够仿真所有类型的PAL器件，并具有100％的兼容性。可擦除的可编程逻辑器件EPLD的基本逻辑单位是宏单元，它由可编程的与一或阵列、可编程寄存器和可编程I／O3部分组成。由于EPLD特有的宏单元结构、大量增加的输出宏单元数和大的与阵列，使其在一块芯片内能够更灵活性的实现较多的逻辑功能复杂可编程逻辑器件CPLD是EPLD的改进型器件，一般情况下，CPLD器件至少包含3种结构：可编程逻辑宏单元、可编程I／O单元和可编程内部连线。部分CPLD器件还集成了RAM、FIFO或双口RAM等存储器，以适应DSP应用设计的要求。现场可编程门阵列FPGA在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些功能块，来实现一定的逻辑功能。FPGA的功能由逻辑结构的配置数据决定，在工作时，这些配置数据存放在片内的SRAM或者熔丝图上。使用SRAM的FPGA器件，在工作前需要从芯片外部加载配置数据，这些配置数据可以存放在片外的EPROM或其他存储体上，人们可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能。1.1.2可编程逻辑器件的编程器件工作原理可编程逻辑器件按照编程工艺又可分为4个种类：（l）熔丝（Fuse）或反熔丝（Antifuse）编程器件；(2)UEPROM编程器件；（3）EEPROM编程器件；（4）SRAM编程器件。前3类器件称为非易失性器件，它们在编程后，配置数据保持在器件上；第4类器件为易失性器件，每次掉电后配置数据会丢失，因而在每次上电时需要重新进行数据配置。1.可编程只读存储器（PROM）熔丝（Fuse）或反熔丝（Antifuse）编程器件采用PROM结构。PROM的总体结构与掩模ROM相同，所不同的是在出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储元件。存储元件通常有两种电路形式：一种是由二极管组成的结破坏型电路；另一种是由晶体三极管组成的熔丝型电路，结构示意图如图1.1.1所示。图1.1.1PROM结构示意图在结破坏型PROM中，每个存储单元都有两个对接的二极管。这两个二极管将字线与位线断开，相当于每个存储单元都存有信息“0”。如果将某个单元的字线和位线接通，即将该单元改写为“1”，需要在其位线和字线之间加100mA～150mA电流，击穿D1（使D1的PN结短路）。这样，该单元就被改写为“1”。在熔丝型可编程只读存储器中，存储矩阵的每个存储单元都有一个晶体三极管。该三极管的基极和字线相连，发射极通过一段镍铬熔丝和位线相连。在正常工作电流下，熔丝不会烧断，这样每个存储单元都有一个PN结，表示该单元存有信息“1”。但是，如果在某个存储单元的字线和位线之间通过几倍的工作电流，该单元的熔丝立刻会被烧断。这时字线、位线断开，该单元被改写为“0”。PROM的存储单元一旦由“0”改写为“1”或由“1”改写为“0”，就变成固定结构，因此只能进行一次编程。所以可编程只读存储器（PROM）也称为一次可编程只读存储器。在产品的开发设计过程中，设计人员可以通过编程器将所需内容（程序和数据）自行写入PROM中得到所要求的ROM。2.可擦除的可编程只读存储器（EPROM）最早研究成功并投入使用的EPROM是用紫外线照射进行擦除的，并被称之为EPROM。因此，现在一提到EPROM就是指的这种用紫外线擦除的可编程ROM（Ultra-VioletErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称UVEPROM）。EPROM采用MOS型电路结构，其存储单元通常由叠栅型MOS管组成。叠栅型MOS管通常采用增强型场效应管结构。叠栅注入MOS管（Stacked-gateInjectionMetal-Oxide-Semiconductor，简称SIMOS管）的结构原理图和符号如图1.1.2所示。图1.1.2SIMOS管的结构原理图和符号以叠栅NMOS管为例，图中叠栅型MOS管有两个重叠的栅极：一个在上面，称为控制栅，其作用与普通MOS管的栅极相似；另一个埋在二氧化硅绝缘层内，称为浮置栅。如果浮置栅上没有电荷，叠栅MOS管的工作原理就与普通MOS管相似。当控制栅上的电压大于它的开启电压时，即在栅极加上正常的高电平信号时，漏源之间可以有电流产生，SIMOS管导通。如果浮置栅上有电子，这些电子产生负电场。这时要使管子导通，控制栅必须加较大正电压，以克服负电场的影响。换句话说，如果浮置栅上有电子，管子的开启电压就会增加，在栅极加上正常的高电平信号时SIMOS管将不会导通。浮置栅上的电荷是靠漏源及栅源之间同时加一较大电压（例如＋20～＋25V编程电压，正常工作电压只有5V）而产生的。当源极接地时，漏极的大电压使漏源之间形成沟道。沟道内的电子在漏源间强电场的作用下获得足够的能量。同时借助于控制栅正电压的吸引，一部分电子穿过二氧化硅薄层进入浮置栅。当高压电源（例如＋20～＋25V编程电压）去掉后，由于浮置栅被绝缘层包围，它所获得的电子很难泄漏，因此可以长期保存。浮置栅上注入了电荷的SIMOS管相当于写入了数据“1”，未注入电荷的相当于存入了数据“0”。当浮置栅带上电子后，如果要想擦去浮置栅上的电子，可采用强紫外线或x射线对叠栅进行照射，当浮置栅上的电子获得足够的能量后，就会穿过绝缘层返回到衬底中去3.电信号擦除的可编程ROM（EEPROM）EEPROM（也有写成E2PROM）是一种可以用电信号擦除和改写的可编程ROM。EEPROM的擦除和改写电流很小，在普通工作电源条件下即可进行，擦除时不需要将器件从系统上拆卸下来。EEPROM不仅可以整体擦除存储单元内容，还可进行逐字擦除和逐字改写。EEPROM的电路结构与UVEPROM的主要区别是构成存储单元的MOS管的结构不同。EEPROM的存储单元采用浮置栅型场效应管（FloatinggateTunnelOxide，简称Flotox管），其结构如图1.1.3所示，Flotox管也属于N沟道增强型的MOS管。这种场效应管有两个浮置栅，漏极上方有一个隧道二极管。在第二栅极与漏极之间电压Vg提供的电场作用下，漏极电荷通过隧道二极管流向第一浮栅，使管子导通，起到编程作用。若Vg的极性相反，浮栅上的电荷将反向流入漏极，起到擦除作用。由于编程和擦除所需电流极小，因此Vg可采用芯片的普通工作电源。EEPROM的存储单元如图1.1.4所示。EEPROM具有ROM的非易失性，也可以像RAM一样随机的进行读写，每个存储单元可以重复进行1万次改写，存储的信息可以保留20年。问题是擦、写的时间较长。图1.1.3Flotox管的结构和符号图1.1.4EEPROM的存储单元4.快闪存储器（FlashMemory）快闪存储器也是一种电信号擦除的可编程ROM。快闪存储器采用了一种类似于EPROM的单管叠栅结构的存储单元，结构示意图如图1.1.5所示。图1.1.5快闪存储器中的叠栅MOS管和符号图1.1.6快闪存储器的存储单元快闪存储器采用的叠栅MOS管的结构与EPROM中的SIMOS管极为相似，两者最大的区别是浮置栅与衬底间氧化层的厚度不同。在EPROM中这个氧化层的厚度一般为30～40μm，而在快闪存储器中仅为10～15μm。而且浮栅与源区重叠的部分是由源区的横向扩散形成的，面积极小，因而浮置栅一源区间的电容要比浮置栅一控制栅间的电容小得多。快闪存储器的存储单元如图1.1.6所示。在读出状态下，字线给出十5V的逻辑高电平，存储单元公共端Vss为0电平。如果浮置栅上没有充电，则叠栅MOS管导通，位线上输出低电平；如果浮置栅上充有负电荷，则叠栅MOS管截止，位线上输出高电平。快闪存储器的写入方法和EPROM相同，即利用雪崩注入的方法使浮栅充电。快闪存储器的擦除操作是利用隧道效应进行的，类似于EEPROM写入0时的操作。由于片内所有叠栅MOS管的源极是连在一起的，所以全部存储单元同时被擦除，这一点是不同于EEPROM的。5.随机存储器（RAM）随机存储器也叫随机读／写存储器，简称RAM。在RAM工作时可以随时从任何一个指定地址读出数据，也可以随时将数据写入任何一个指定的存储单元中去。它的优点是读、写方便，使用灵活。缺点是一旦断电以后所存储的数据将随之丢失，即存在数据易失性的问题。RAM电路通常由存储矩阵、地址译码器和读／写控制电路（也叫输入／输出电路）几部分组成，电路结构框图如图1.1.7所示。图1.1.7RAM的电路结构框图存储矩阵由许多存储单元排列而成，每个存储单元能存储1位二进制数据（1或0），在译码器和读／写控制电路的控制下既可以写入1或0，又可将所存储的数据读出。地址译码器将输入的地址代码译成一条字线的输出信号，使连接在这条字线上的存储单元与相应的读／写控制电路接通，然后对这些单元进行读或写。读／写控制电路用于对电路的工作状态进行控制，当读／写控制信号＝1时，执行读操作，将存储单元里的内容送至输入／输出端（I／O）上。当＝0时，执行写操作，输入／输出线上的数据写入存储器中。多数RAM集成电路是用一根读／写控制线控制其读／写操作的。但也有些RAM集成电路是用两个输入端分别进行读和写控制的。此外在读／写控制电路中另加有片选输入端，当时RAM为正常工作状态；当时所有的输入／输出端均为高阻态，不能对RAM进行读／写操作。利用片选输入端可以使多个单片RAM集成电路组合扩展成更大容量的存储器。输入／输出电路通常由三态门组成，由信号及信号控制