第2讲可编程逻辑器件基础

第二讲可编程逻辑器件基础主讲人：雷求胜电子信息教研室概述从逻辑器件的功能和使用方法看，最初的逻辑器件全部采用标准通用片，后来发展到采用现场片和用户片。通用片的功能是器件厂制造时定死的，用户只能拿来使用而不能改变其内部功能。通用片有门、触发器、多路开关、加法器、寄存器、计数器、译码器等逻辑器件和随机读写存储器件。用户片是完全按用户要求设计的VLSI(VeryLargeScaleIntegratedcircuits超大规模集成电路)器件。它对用户来讲是优化的，但是设计周期长，设计费用高，通用性低，销售量少。用户片一般称为专用集成电路(ASIC)，但是它也向通用方向发展。由于通用片和全用户片的使用范围有限，20世纪70年代以后陆续出现了用户可在现场更改其内容(功能)的现场片，如EPROM，FPLA，PAL，GAL，FPGA等一类可编程逻辑器件，通称为PLD器件。它们规整通用，适合采用高集成度技术，因此，在数字系统中得到了迅速的应用。可编程逻辑器件基础低密度的PLD器件的基本框图如图1.1所示，它由输入缓冲、与阵列、或阵列、输出缓冲等四部分功能电路组成。根据与门阵列、或门阵列和输出结构的不同，低密度的PLD可分为四种基本类型：PROM，FPLA，PAL，GAL。数据输入输入缓冲与阵列或阵列输出缓冲数据输出{}....图1.1PLD的基本框图说明一．PLD的基本结构可编程逻辑器件基础组成功能输入功能输入缓冲器产生输入变量的原变量和反变量与阵列与门阵列产生输入变量的与项(乘积项)或阵列或门阵列将与阵列输出的乘积项有选择的进行或运算,形成与或式,实现函数输出功能三态门寄存器产生输出信号,提供反馈信号1．连接硬线连接断开连接编程连接.二．PLD的有关逻辑约定可编程逻辑器件基础二．PLD的有关逻辑约定2．缓冲器A{输入{B=AC=A＿输出可编程逻辑器件基础二．PLD的有关逻辑约定ABCDPLD的表示法ADBC表达式为:D=ABC3．与门传统表示法可编程逻辑器件基础4．或门D=A+B+CABCD...表达式为:二．PLD的有关逻辑约定可编程逻辑器件基础例题1DABB_A_ABDB_A_D=AABB=0__简化表示表达式为：可编程逻辑器件基础________.分析:O1=ABO2=ABO3=0O=O1+O2=AB+AB=AOB=AOB+例题2ABOO1O3O2可编程逻辑器件基础交叉点上有可编程元件，可通过编程使它们连接或断开，标有×的点为已编程连接点ABCFFABC逻辑方程:CBACBBAF可编程元件（1）熔丝元件(Fuse)可编程元件熔丝未编程时：通；编程后：断。（2）反熔丝元件（Antifuse）绝缘介质未编程时：断；编程后：通。（3）EPROM（紫外线可擦除可编程只读存储器工艺（4）EEPROM（电可擦除可编程只读存储器工艺）（5）SRAM（静态随机存储器工艺）特点：a.Fuse、Antifus、EPROM、EEPROM具有非易失性；而SRAM具有易失性，掉电后编程数据丢失，需外挂ROM。b.Fuse、Antifus只能一次性编程；而EPROM、EEPROM、SRAM可多次编程（理论上一万次）。c.EEPROM、SRAM可实现在系统编程。可编程元件可编程逻辑器件的发展70年代初期的PLD主要是可编程只读存储器(PROM)和可编程逻辑阵列(PLA)。在PROM中，与门阵列是固定的，或门阵列是可编程的；器件采用熔断丝工艺，一次性编程使用。70年代末期的PLD出现了可编程阵列逻辑(PAL)器件。在PAL器件中，与门阵列是可编程的，或门阵列是固定连接的，它有多种输出和反馈结构，为数字逻辑设计带来了一定的灵活性。但PAL仍采用熔断丝工艺，一次性编程使用。可编程逻辑器件的发展80年代中期的PLD通用阵列逻辑(GAL)器件问世，并取代了PAL。GAL器件是在PAL器件基础上发展起来的新一代器件。和PAL一样，它的与门阵列是可编程的，或门阵列是固定的。但由于采用了高速电可擦CMOS工艺，可以反复擦除和改写，很适宜于样机的研制。它具有CMOS低功耗特性，且速度可以与TTL可编程器件相比。特别是在结构上采用了“输出逻辑宏单元”电路，为用户提供了逻辑设计和使用上的较大灵活性。80年代中后期的PLD80年代后期问世的FPGA(现场可编程门阵列)器件，FPGA属于较高密度的PLD器件。FPGA的基本结构有两类：一类是在PAL基础上加以改进和扩展形成的；另一类是逻辑单元型，逻辑单元之间是互联阵列。这些资源可由用户编程。PLD的分类及特点PROM----可编程存储器PLA----可编程逻辑阵列PAL----可编程阵列逻辑GAL----通用可编程阵列逻辑FPGA----现场可编程门阵列ispLSI----在系统可编程大规模集成电路PLDPLD的分类及特点只读存储器(ROM)有掩模式ROM，PROM，EPROM，E2PROM，EAROM，FLASH等形式，是非易失性存储器。这类存储器可靠性高，一般用来存放固定的程序或数据。现场可编程逻辑阵列(FPLA)的与阵列和或阵列均可编程，可以实现组合逻辑和时序逻辑。可编程阵列逻辑(PAL)的结构和FPLA相似，也由与阵列及或阵列两部分组成，其中与阵列可编程，或阵列固定。通用阵列逻辑(GAL)是80年代中期在PAL的基础上发展起来的器件，GAL器件是一种电擦除的可编程器件，特别适合于研制开发阶段使用。PLD的分类及特点现场可编程门阵列(FPGA)是90年代中后期发展起来的一种可编程的大规模集成器件，它既有门阵列的结构和性能，又具有现场可编程的特点，而且可以反复地擦除和重新编程，适用于ASIC的研制。FPGA的体系结构核心是可组态的逻辑块。PLD器件自20世纪70年代发明以来，从熔丝型到光擦除型；到80年代又发展成为点擦除型；到90年代则进一步发展成为在系统编程型。在系统编程（ISP)，是指用户具有在自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复改写的能力。ISP为用户提供了传统的PLD技术无法达到的灵活性，带来了巨大的时间效益和经济效益，是可编程逻辑技术的实质性飞跃，因此被称为PLD设计技术的一次革命。CPLD与FPGAROMPAL/GALPLDFPGA数十门数十门数百门数百门数千门数千门到数百万门可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件CPLD特点：采用电可擦除，无需编程器结构特点：与GAL类同，加以改进输入/输出单元（IOC）通用逻辑模块（GLB）可编程布线区：全局布线区（GRP），输出布线区（ORP）GLB结构及功能：与GAL类似IOC结构及功能：8种工作方式CPLD可分为三块结构宏单元（Marocell)可编程连线（PIA)I/O控制块可编程逻辑器件原理CPLD的内部结构（Product-Term)宏单元结构工艺：CMOS-SRAM擦除方式：与SRAM相同基本结构：逻辑单元阵列结构（可编程）特点：功耗低，集成度高（3万门/片），信号传输时间不可预知FPGA（FieldProgrammableGateArray）输入/输出模块（IOB）：输入或输出可设置可编程逻辑模块（CLB）：含组合逻辑和触发器互连资源（IR）：金属线，可编程接点/开关利用EPROM存放编程数据结构特点输入/输出模块（IOB）逻辑原理可配置逻辑模块（CLB）性能特点设计灵活性强，适用性广传输延迟时间不定，速度低，保密性查找表（Look-Up-Table)的原理查找表（Look-Up-Table)简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM,这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可LUT实现原理下面是一个4输入与门的例子：实际逻辑电路LUT的实现方式a,b,c,d输入逻辑输出地址RAM中存储的内容00000000000001000010....0...01111111111基于LUT的FPGA的结构FPGA应用场合单板复杂数字逻辑IC验证核心处理器件：通信系统，图像处理等领域具有不可比拟的优势，并已渗透到传统DSP领域ISP技术的特点ISP器件的出现，全面实现了硬件设计与修改的软件化，使得数字系统的设计面貌焕然一新。也就是说，硬件设计变得像软件一样易于修改，硬件的功能可以随时进行修改，或按预定程序改变组态进行重构。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统调试周期，而且还根除了对器件单独编程的环节，省去了器件编程设备，简化了目标设备的现场维护和升级工作。ISP技术的特点传统的样机设计，首先根据功能选定某种重要逻辑构件，进行系统级逻辑设计，电路板设计，装配调试。如果要增减逻辑或修改逻辑，必须首先推倒原来设计的电路板，再重新设计新的电路板，之后再进行装配调试，直至样机设计工作完毕。当采用ISP器件进行设计时，可把上述重要部件全部安放在样机板上，然后再用可编程逻辑器件和可编程开关器件按预定功能将其联系起来。若要改变设计，无论是增减还是修改逻辑，都能够通过设计工具软件在数分钟内完成。重构的逻辑通过一根五芯编程电缆从计算机写入到样机板上的ISP器件之中。这种无需改动元器件或印制电路板就可修改系统功能的特点是ISP技术的优点之一。由于ISP技术能够在不取下器件的情况下直接在线路板上重新编程，直接在芯片上对设计进行修改与验证，从而允许一些无法预料的逻辑变动在设计过程中能够早日确定，因此可大大缩短系统的设计、调试周期，是一种全新的设计方法，并支持设计方案的保密。ISP技术的特点ISP器件的设计流程图图1.2ISP器件的设计流程图ISP逻辑器件系列美国Lattice公司是世界上第一片GAL的诞生地。近年来，该公司在高密度可编程逻辑器件(HDPLD)的研制方面取得很大进展。特别是90年代发明并率先推出的ISP技术，开拓了新一代的PLD。Lattice公司已将ISP技术应用到HDPLD中，形成ispLSI系列高密度在系统可编程逻辑器件。ispLSI器件是最早问世的ISP器件，它既有可编程逻辑器件PLD的性能与特点，又有现场可编程逻辑阵列PGA的高密度和灵活性。其系统速度可达135MHZ，逻辑集成密度可达25000门以上，是先进的HDPLD。ispLSI器件能够满足对高性能系统逻辑的需求，广泛适用于数据处理、通信、图形处理、空间技术、军事装备、工业控制和测量仪器等领域。它强有力的结构能够实现各种逻辑功能，其中包括寄存器、计数器、多路选择器、译码器和复杂状态机。目前Lattice公司生产的ispLSI器件有六个系列：1000系列，2000系列，3000系列，5000V系列，6000系列，8000系列。Altera公司支持SOPC的FPGA芯片Altera公司支持SOPC的FPGA芯片有1）Cyclone系列（飓风）：Altera中等规模FPGA，2003年推出，0.13um工艺,1.5v内核供电，与Stratix结构类似，是一种低成本FPGA系列，是目前主流产品，其配置芯片也改用全新的产品。2）CycloneII系列3）CycloneIII系列4）Stratix系列5）StratixII系列6）StratixIII系列