数字逻辑设计基础第12章课件.ppt
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1、第12章 可编程逻辑器件,是由编程来确定其逻辑功能的器件。Programmable Logical Device,简称 PLD,本章目标,赖祖亮小木虫,了解可编程逻辑器件FPGA/CPLD的基本工作原理及其分类,了解不同厂商的可编程逻辑器件FPGA/CPLD产品,熟练根据设计要求,能够对可编程逻辑器件FPGA/CPLD进行选型,能够根据FPGA/CPLD开发流程进行应用设计,引 言,可编程逻辑器件是指可以通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电路。广义上讲,可编程逻辑器件是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,完成既定设计功能的数字集成电
2、路。,当今主流的可编程逻辑器件主要分为复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)2大类。,采用可编程逻辑器件,通过定义器件内部的逻辑和输入、输出引出端,将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片设计中进行。大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度,从而有效地增强了设计的灵活性,提高了工作效率。,内容提要,Altera主流CPLD/FPGA最小硬件系统设计,CPLD/FPGA厂商及产品概述,CPLD/FPGA的基本结构,PLD的可编程原理,PLD的发展及分类,QuartusII软件入门向导,进行可编程逻辑设计时,通过定义器件内部的逻辑和输入、输出引出端,将原来由电路板设计
3、完成的大部分工作放在芯片设计中进行。,在采用PLD设计逻辑电路时,设计者借助计算机在相关集成开发软件平台上完成数字逻辑电路的描述,通过编译和逻辑网表的生成后,将相关数据写入PLD器件,最终在器件上实现通过计算机所做的逻辑电路描述和系统设计,自20世纪80年代以来,PLD发展非常迅速,器件的速度指标得到飞速提高,FPGA的门延时已小于5 ns,CPLD的工作速度也已达到数百MHz以上。采用PLD设计的数字系统的工作速度及工作可靠性远远优于传统的中小规模数字逻辑器件,12.1.1 可编程逻辑器件综述,目前,可编程逻辑器件已发展为CPLD/FPGA两大结构阵营体系,分别适合于承担组合逻辑设计及复杂的
4、时序逻辑设计。,12.1.2 可编程逻辑器件的发展历程,乘积项结构PLD:基本结构为乘积项,采用“与-或阵列”。(大部分简单PLD和CPLD都属于这个范畴),查找表结构FPGA:简单的查找表构成可编程门,再构成阵列形式。(大多数FPGA属于此类器件),12.1.3 可编程逻辑器件的分类,1熔丝(Fuse)型器件:编程过程就是根据设计的熔丝图文件来烧断对应的熔丝,达到编程的目的,2反熔丝(Anti-fuse)型器件:与熔丝烧断获得开路相反,3EPROM型:紫外擦除电可编程,与熔丝、反熔丝型不同,可多次编程,4EEPROM型:电可擦写编程器件,不需紫外线擦除,5SRAM型:即SRAM查找表结构的器
5、件。大部分FPGA器件均采用此编程工艺。编程速度最快,在断电后数据立即丢失,再次上电需要再次编程。通过外挂专用的EEPROM器件来辅助存储编程数据,下次上电时自动将数据导入FPGA的SRAM,6Flash型:采用Flash工艺的反熔丝型 器件,实现多次可编程,同时做到掉电后不需要重新配置,12.2 简单PLD的可编程原理,数字系统都是由基本门来构成的任何组合逻辑电路都可以用“与门-或门”二级电路实现;任何时序逻辑电路都可以由组合逻辑电路加上存储元件(触发器、锁存器构成)人们由此提出乘积项可编程电路结构,原理结构如下:,固定连接,可编程连接,断开连接,PLD 中与门和或门的习惯画法,(a),(b
6、),Y,C,A,B,C,B,A,A,C,B,Y,Y,Y,C,B,A,1,A,A,A,A,PLD 器件中连接的习惯画法,(a)一般画法,输入缓冲电路,(b)PLD 中的习惯画法,输入电路:用来产生所需的原变量及反变量,与阵列:由多个多输入与门组成,用以产生输入变量的各乘积项,或阵列:由多个多输入或门组成,用以产生或项,即将输入的某些乘积项相加,C,A,B,C,B,A,W7=ABC,A,B,C,Y3,Y2,Y1,与阵列,或阵列,左图表示的逻辑式:Y1=ABC+ABC+ABC Y2=ABC+ABC Y3=ABC+ABC,乘积项阵列实际上就是一个“与或”阵列,每一个交叉点都是一个可编程熔丝,如果导通就
7、是实现“与”逻辑,在“与”阵列后一般还有一个“或”阵列,用以完成最小逻辑表达式中的“或”关系。“与或”阵列配合工作,完成复杂的组合逻辑功能。,12.2 PROM、PLA、PAL及GAL,PROM(可编程只读存储器):只能用于组合电路可编程,不适于多输入变量的组合函数,浪费严重,PAL(可编程阵列逻辑):是PLA的改进型与阵列可编程,或阵列固定,IO结构不通用,不同的用途种类繁多,熔丝工艺,一次编程,PLA(可编程逻辑阵列):与、或阵列均可编程,利用率高,需要逻辑函数的最简与或表达式,公共与项难利用,软件算法较复杂。,GAL(通用阵列逻辑):EEPROM工艺,改进了IO结构,增加了输出逻辑宏单元
8、(OLMC,Output Macro Cell),通用性好,逻辑阵列固定与可编程的结构示意图,15,PROM、PLA、PAL、GAL特征及优缺点对比,随着集成工艺的不断发展,现代可编程逻辑器件已进入大容量CPLD/FPGA 时代,使得单片逻辑系统的实现成为事实。,12.3 CPLD与FPGA的基本结构,早期的PROM只能存储少量数据,完成简单逻辑功能;中期的PAL、GAL等能完成中大规模的数字逻辑功能;,现代微电子设计技术与微电子工艺的发展,将可编程逻辑器件推进到了新的高度,进入了CPLD/FPGA时代,当今的复杂可编程逻辑器件(CPLD)及现场可编程门阵列(FPGA)可以完成超大规模的复杂组
9、合逻辑与时序逻辑;,目前,在FPGA上已可集成中央处理器(CPU)或数字处理器(DSP)内核,为实现片上可编程系统(SOPC,System OnProgrammable Chip)提供了强大的硬件支持。,12.3 CPLD与FPGA的基本结构,早期的PROM只能存储少量数据,完成简单逻辑功能;中期的PAL、GAL等能完成中大规模的数字逻辑功能;,现代微电子设计技术与微电子工艺的发展,将可编程逻辑器件推进到了新的高度,进入了CPLD/FPGA时代,当今的复杂可编程逻辑器件(CPLD)及现场可编程门阵列(FPGA)可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑;,目前,在FPGA上已可集成中央处理器(C
10、PU)或数字处理器(DSP)内核,为实现片上可编程系统(SOPC,System OnProgrammable Chip)提供了强大的硬件支持。,CPLD(Complex Programmable Logic Device)是在PAL、GAL基础上发展起来的,采用EEPROM工艺,实现的逻辑功能比PAL、GAL有了大幅度的提升;,CPLD一般可以完成设计中较复杂、较高速度的逻辑功能,如接口转换、总线控制等。,FPGA(Field Programmable Gate Array),是在CPLD的基础上发展起来的,采用查找表结构,是一种新型高性能可编程逻辑器件。,FPGA采用SRAM工艺,集成度很高
11、,器件密度从数万系统门到数千万系统门不等,FPGA可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能,适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域,如数字信号处理、高速数据采集等。,ASIC是固定的或定制的逻辑器件,是为了满足特定的用途而设计的芯片,ASIC通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产,降低了芯片的成本,同时提高了产品的可靠性。,但是ASIC的设计已经固定,今后升级改版难度、投资都比较大,灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。,FPGA可以零活地更改逻辑设计,根据需要,可以随时随地的设计、更改大规模数字逻辑,具有ASIC无法比拟的优势。,不过,由于FPGA功耗、体积都比ASIC大,在逻辑设计的前期
12、,采用FPGA进行验证,待设计定型后再直接转向ASIC投产,克服了直接进行ASIC设计的弊端。,12.3.1 CPLD的基本结构,CPLD的结构相对比较简单,基本都由可编程I/O单元、基本逻辑单元、布线池和其它辅助功能模块构成。,可编程I/O单元用来完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配。与FPGA相比,CPLD的可编程I/O的性能和复杂度都较低。,基本逻辑单元是CPLD的主体,通过不同的配置,CPLD的基本逻辑单元可以完成不同类型的逻辑功能。MC的本质是有一些与、或阵列加上触发器构成的;,CPLD广泛采用的乘积项代表了MC中与阵列的输出,其数量标志了CPLD的容量;,布线池本质上就是一
13、个开关矩阵,通过打结点可以完成不同MC的输入与输出项之间的连接。,由于CPLD的布线池结构固定,所以CPLD的输入管脚到输出管脚的标准延时固定,被称为Pin to Pin延时,用Tpd表示,它反应了CPLD器件可以实现的最高频率,辅助功能模块如JTAG(IEEE 1532、IEEE 1149.1)编程模块,一些全局时钟、全局使能、全局复位/置位单元等。,12.3.2 FPGA的基本结构,不同厂商的FPGA的基本构架都可简化为6个部分,分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等,输入/输出(Input/Output)单元简称I/
14、O单元,它们是芯片与外界电路的接口部分。,基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体,通过改变其内部连接与配置来不同的逻辑功能;,FPGA一般基于SRAM工艺,其基本可编程逻辑单元几乎都是由查找表(LUT,Look Up Table)和寄存器(Register)组成的;,在应用设计中进行器件选型时,一个基本的原则就是根据底层配置单元的LUT和Register比率来对器件规模进行估算,从而选择合适的器件。,FPGA内部一般都包含嵌入式块RAM单元,实现RAM、ROM、CAM、FIFO等存储结构。,布线资源是FPGA内部各单元的连接纽带,连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度,为了满足一
15、定的要求,FPGA开始嵌入如PLL(Phase Locked Loop,锁相环)、DSP(Digital Signal Prossor,数字信号处理器)、CPU(Central Processing Unit,中央处理器)等,12.3.3 CPLD与FPGA的比较,12.3.4主流CPLD/FPGA厂商及其代表产品,目前市场上CPLD/FPGA芯片主要来自Xilinx和Altera公司,它们占据了FPGA 80以上的市场份额。Lattice公司只提供CPLD器件,Actel公司主要生产反融丝结构的FPGA,主要应用于航空、航天领域产品,价格较高,因此,Lattice及Actel在FPGA的市场
16、占有比例较低,Lattice是最早推出PLD的公司,是GAL器件的发明者。20世纪90年代,Lattice首创了ISP技术(In-System Programmability,在系统可编程),使CPLD的应用领域有了巨大的扩展,也为设计人员调试程序提供了极大的方便。Lattice公司的CPLD产品主要有GAL、ispLSI、ispMACH、LatticeEC、LatticeECP系列等。,Xilinx在1985年推出了业界首款FPGA,随后不断推出新的集成度更高、速度更快、价格更低、功耗更小FPGA器件系列,目前已成为世界领先的CPLD/FPGA器件供应商,Xilinx的CPLD器件以Cool
17、Runner、XC9500系列为代表,FPGA器件以XC4000、Spartan、Virtex系列为代表,其性能不断提高。,Altera是著名的PLD生产厂商,多年来一直占据着行业领先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点,此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等,因此Altera的产品获得了广泛的应用。其可编程逻辑器件可以分为高密度FPGA、低成本FPGA和CPLD等3类,每个产品类别在不同时期都有其主流产品。,Actel公司生产的FPGA采用了反熔丝工艺,反熔丝工艺未编程时内部节点开路,编成后接通,去传统编程方法正好相反,使用Flash存储器,加
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