第2章EDA——大规模可编程逻辑器件

第2章大规模可编程逻辑器件第2章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述2.2复杂可编程逻辑器件(CPLD)2.3现场可编程门阵列(FPGA)2.4在系统可编程(ISP)逻辑器件2.5FPGA和CPLD的开发应用选择第2章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述PLD:用户可编程，可实现各种组合逻辑和时序逻辑的功能。编程：•选择阵列中熔丝加以摧毁的过程；•非熔丝型可编程器件中,指控制器件中EECMOS管或SARM单元的状态。第2章大规模可编程逻辑器件2.1.1PLD的发展进程20世纪70年代，最早的PLDPROM—可编程只读存储器ProgrammableReadOnlyMemoryPLA—可编程逻辑阵列ProgrammableLogicArray第2章大规模可编程逻辑器件80年代初，Lattice公司推出了70年代末，AMD公司推出了PAL—可编程阵列逻辑ProgrammableArrayLogicGAL—通用阵列逻辑GenericArrayLogic第2章大规模可编程逻辑器件80年代中期，Xinlinx公司推出了FPGA—现场可编程门阵列FieldProgrammableGateArray同时，Alteral公司推出了EPLD—可电擦除的PLDErasableProgrammableLogicDevice80年代末，Lattice公司推出了CPLD:—复杂可编程逻辑器件ComplexProgrammableLogicDevice第2章大规模可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD的发展历程70年代80年代90年代PROM和PLA器件FPLA器件GAL器件FPGA器件EPLD器件CPLD器件内嵌复杂功能模块的SoPC第2章大规模可编程逻辑器件2.1.2PLD的种类及分类方法1．从结构的复杂程度分类可编程逻辑器件PLDLDPLD（低密度PLD）HDPLD（高密度PLD）EPLDFPGAiSPPROMFPLAPALGAL•简单PLD和复杂PLD(CPLD)•低密度PLD和高密度PLD(HDPLD)第2章大规模可编程逻辑器件3.从可编程特性上分类4.从可编程器件的编程元件上分类2.从互连结构上分类确定型：CPLD统计型：FPGA(无法确切预知线路延时)一次可编程OneTimeProgrammable重复可编程Re-programmable熔丝型(fuse)编程器件:大电流，OTPEPROM(紫外线擦除)编程器件EEPROM(电可擦除)编程器件SRAM(静态存储器)编程器件:无限次编程第2章大规模可编程逻辑器件与门阵列乘积项PLD主体输入电路输入信号互补输入输出函数反馈输入信号•可由或阵列直接输出，构成组合；•通过寄存器输出，构成时序方式输出。可直接输出也可反馈到输入输出既可以是低电平有效，又可以是高电平有效。或门阵列和项输出电路2.1.3PLD的基本结构第2章大规模可编程逻辑器件一.阵列交叉点的逻辑表示此点不可编程2.1.4PLD的表示方法1.实体连接行线和列线实实在在的连接第2章大规模可编程逻辑器件2.可编程连接编程前此点熔丝处于接通状态第2章大规模可编程逻辑器件3.编程后熔丝烧断此点为不连接点第2章大规模可编程逻辑器件二.二极管与门和或门电路LAB+VDD3kΩ（+5V）RCC21&ABL=A·B1.与门电路第2章大规模可编程逻辑器件2.或门电路ABLDD12R3kΩABL=A+B≥1第2章大规模可编程逻辑器件三.与阵列的PLD表示未编程或熔丝全部保留第2章大规模可编程逻辑器件编程后实现的与阵列表示熔丝保留CBAF第2章大规模可编程逻辑器件四.或阵列的PLD表示未编程或实现f=p1+p2+p3熔丝全保留第2章大规模可编程逻辑器件实现f=P1+P3的PLD表示第2章大规模可编程逻辑器件ABCDF2F2=B+C+DABCDF1与门和或门的表示方法固定连接编程连接F1=A•B•C×第2章大规模可编程逻辑器件下图列出了连接的三种特殊情况:1.输入全编程，输出为0。2.也可简单地在对应的与门中画叉，因此E=D=0。3.乘积项与任何输入信号都没有接通，相当与门输出为1。第2章大规模可编程逻辑器件下图给出最简单的PROM电路图，右图是左图的简化形式。实现的函数为：BABAF1BABAF2BAF3固定连接点（与）编程连接点（或）第2章大规模可编程逻辑器件（1）与固定、或编程：PROM（2）与或全编程：FPLA（3）与编程、或固定：PAL、GAL、EPLD、CPLD五.PLD的结构类型PLD基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类：第2章大规模可编程逻辑器件1.与固定、或编程：（PROM）ABCBCA000001010111全译码连接点编程时,需画一个叉第2章大规模可编程逻辑器件2.与、或全编程代表器件是PLA（ProgrammableLogicArray）。在PLD中，它的灵活性最高。下图给出了PLA的阵列结构。由于与或阵列均能编程的特点，在实现函数时，所需的是简化后的乘积项之和，这样阵列规模比PROM小得多××××可编程可编程不像PROM那样与阵列需要全译码第2章大规模可编程逻辑器件每个交叉点都可编程O1O1为两个乘积项之和由于或阵列固定，以后将只画出或门3.与编程、或固定代表器件PAL(ProgrammableArrayLogic)GAL(GenericArrayLogic)第2章大规模可编程逻辑器件阵列类型与或输出方式PROMPLAPALGAL固定可编程可编程可编程可编程可编程固定固定TS,OCTS,OC,H,LTS,I/O,寄存器用户定义各种PLD的结构特点简单PLD被淘汰的原因阵列规模太小寄存器资源不足I/O不够灵活编程不方便由此应运而生了CPLD、FPGA……第2章大规模可编程逻辑器件六.输入缓冲器和反馈缓冲器单入双出的缓冲器单元，输出0态和1态。同极性输出端（高有效输出端）反极性输出端（低有效输出端）AAA注意与输出三态缓冲器的区别第2章大规模可编程逻辑器件七.输出极性可编程的异或门PLD表示为电源地在PLD中为了实现输出极性可编程，常采用如图所示异或门结构。第2章大规模可编程逻辑器件编程后熔丝保留，输出高有效，即PPPPQ0000第2章大规模可编程逻辑器件编程后熔丝烧断，输出低有效，即PPPPQ1110第2章大规模可编程逻辑器件八.地址可编程的数据选择器（MUX）编程后，行线和列线相接，选择D0；行线和列线断开，选择D1。1.二选一数选器（2:1MUX）第2章大规模可编程逻辑器件2.四选一数选器（4:1MUX）A1A0=00，Y=D0；A1A0=01，Y=D1；A1A0=10，Y=D2；A1A0=11，Y=D3。第2章大规模可编程逻辑器件九.可编程的数据分配器数据分配器两输入都可编程的异或门决定信号能否传递决定输出高有效或低有效第2章大规模可编程逻辑器件十.激励方式可编程的时序记忆单元R/L（Register/Latch）R/L=0，为D锁存器；R/L=1，为D触发器。第2章大规模可编程逻辑器件十一.双向输入/输出和反馈输入的逻辑表示三态缓冲器有效阵列表示为带反馈的输出端或阵列与阵列第2章大规模可编程逻辑器件三态缓冲器禁止的双向I/O反馈输入的阵列表示三态门禁止输入端第2章大规模可编程逻辑器件2.2复杂可编程逻辑器件(CPLD)2.2.1CPLD的基本结构CPLD的基本结构可看成由逻辑阵列宏单元和I/O控制模块两部分组成。早期的CPLD主要用来替代PAL器件，所以采用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。其基于乘积项的结构模块基本都是由EEPROM和Flash工艺制造的，一上电就可以工作，无需其他芯片配合。第2章大规模可编程逻辑器件1时钟3028262420223435333231292725232119532469811101312151418171670反馈输出控制积项和输出I/O端专用输入端线项积OE1．逻辑阵列宏单元第2章大规模可编程逻辑器件2.I/O控制模块CPLD中的I/O控制模块，基本上都由输出极性转换电路、触发器和输出三态缓冲器三部分及与它们相关的选择电路所组成。第2章大规模可编程逻辑器件与PAL兼容的CPLD的I/O控制模块结构输出极性选择8DQ输出选择由可编程逻辑阵列来反馈选择I/O端第2章大规模可编程逻辑器件逻辑宏单元输入/输出口输入口时钟信号输入三态控制可编程与阵列固定或阵列第2章大规模可编程逻辑器件2.2.2Alteral公司的器件产品主要特点：采用0.5μmCMOSSRAM工艺制造；具有在系统可编程特性；在所有I/O端口中有输入/输出寄存器；3.3V或5.0V工作模式。Alteral公司的产品在我国有较多的用户，如EP220、EP224、EP6010、EP1810等经典产品应用颇广。第2章大规模可编程逻辑器件2.3现场可编程门阵列(FPGA)基于查找表(LookUpTable)的结构模块0000010100000101输入A输入B输入C输入D查找表输出16x1RAM多路选择器第2章大规模可编程逻辑器件2.3.2FPGA的配置模式2.3.1FPGA器件的结构目前，Xilinx公司的FPGA芯片分为XC2000、XC3000、XC4000、XC5000、XC6200、XC8100、Spartan、Virture等系列。FPGA的配置模式，即FPGA的下载。由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。第2章大规模可编程逻辑器件表2.7XC2000/XC3000/XC3100及XC4000系列的配置模式第2章大规模可编程逻辑器件2.3.3FPGA器件性能Xilinx器件的标识方法是：器件型号+封装形式+封装引脚数+速度等级+环境温度。性能指标说明如XC3164PC84-4C的含义是如下：第一项：XC3164表示器件型号。1)器件标识的含义第2章大规模可编程逻辑器件PLCC(PlasticLeadedChipCarrier，塑料方形扁平封装)PQFP(PlasticQuadFlatPack，塑料四方扁平封装)TQFP(ThinQuadFlatPack，四方薄扁形封装)RQFP(PowerQuadFlatPack,大功率四方扁平封装)BGA(BalGridArray(Package)，球形网状阵列(封装))PGA(CeramicPinGridArray(Package)，陶瓷网状直插阵列(封装)第二项：PC表示器件的封装形式，主要有：XC3164PC84-4C第2章大规模可编程逻辑器件XC3164PC84-4C第三项：84表示封装引脚数。一般有44、68、84、100、144、160、208、240等数种，常用的器件封装引脚数有44、68、84、100、144、160等，最大的达596个引脚。而最大用户I/O是指相应器件中用户可利用的最大输入/输出引脚数目，它与器件的封装引脚不一定相同。第2章大规模可编程逻辑器件XC3164PC84-4C速度等级有两种表示方法：在较早的产品中，用触发器的反转速率来表示，单位为MHz，一般分为-50、-70、-100、-125和-150；在较后的产品中用一个CLB的延时来表示，单位为ns，一般可分为-10、-8、-6、-5、-4、-3、-2、-09。第四项：-4表示速度等级。第2章大规模可编程逻辑器件第五项：C表示环境温度范围。XC3164PC84-4CC—商用级(0℃～85℃)I—工业级(-40℃～100℃)M—军用级(-55℃～125℃)第2章大规模可编程逻辑器件PROM大小是指配置数据所需的PROM大小(单位为bit)。输出驱动电流：XC2000和XC3000系列为4mA；XC3100/A为8mA：XC3100L为4mA；XC4000/A/D/E/EX为12mA；XC