《可编程逻辑器》PPT课件.ppt

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1、第2章 可编程逻辑器件,随着数字电子技术日新月异的发展，70年代后出现了存放用户程序的可编程只读存储器（PROM），用户可以方便地实现不同的逻辑电路，由此便出现了最早的可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）。该类器件具有结构灵活、集成度高、处理速度快和可靠性高等特点，因此发展极其迅速，从早期的仅几百门规模、需专用编程器编程的简单可编程器件，发展到数百万门规模、可在线直接编程的高密度可编程器件，在工业控制和产品开发等方面得到了广泛的应用。各种可编程逻辑器件可以分为简单可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）、复杂可编程逻辑

2、器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）、现场可编程器门阵列（Filed Programmable Gate Array，FPGA）等。,2.1 简单可编程逻辑器件,简单可编程逻辑器件是指在芯片内部集成的硬件资源相对较小、应用的场合相对简单，而且实现的逻辑功能不是很复杂，通常都是实现一些简单的逻辑操作，比如与、或、非、与非、或非以及同或、异或等逻辑功能，主要包括PLD、PAL、GAL等几种可编程逻辑器件。,1.PLD,可编程逻辑器件（PLD）是集成电路技术发展的产物，是EDA得以实现的硬件基础，由设计人员自行编程而把数字系统“集成”在一片PLD上，可

3、灵活方便地构建和修改数字电子系统，不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。一般把单片集成度在1K标准门以下的可编程逻辑器件称为简单PLD。简单PLD由与阵列和或阵列组成，能有效地实现“乘积项”形式的布尔逻辑函数。最初的PLD是PROM和PAL。PROM中与阵列固定，当输入变量为N时，与阵列的乘积项输出线为2的N次方，而或阵列是可编程的。在许多逻辑应用场合中，并不需要每个变量均参与乘积项。为了组合逻辑的需要，发明了PAL（Programmable Array Logic）器件，在PAL中，与阵列是可编程的，而或阵列是固定的。后来为使PAL能够适应更多的应用需求，又在PAL结构中加入了

4、寄存器，这样也可以作时序电路。有些PAL的输出部分还加入了一些宏单元，可以灵活地变换正负输出逻辑、寄存器和三态输出等，这就是通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic）。,PLD阵列的表示方法：PLD可以用阵列图来表示，阵列图是将缓冲器、与门阵列和或门阵列组合起来构成的。图中，A、B为输入信号，F1 F2 F3为输出信号。与阵列固定，或阵列可编程。,PLD阵列的表示方法,PLD阵列的表示方法,2.PLA,PROM能够实现逻辑函数的最小项表达式，而最小项表达式是一种非常繁琐的与-或表达式，当变量较多时，PROM实现逻辑函数的效率极低。但按最简与-或表达式实现逻辑函数的成本最低，为

5、此人们针对PROM的缺点设计了专门用来实现逻辑电路的可编程器件PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)。PLA的基本结构类似于PROM，但它提供了对逻辑功能处理更有效的方法，它的与阵列和或阵列都可编程。其与阵列可按需要产生任意的与项，因此用PLA可以实现逻辑函数的最简与-或表达式。,3.PAL,尽管用PLA实现逻辑电路的效率远远高于PROM，但PLA也有不足之处，主要是与阵列和或阵列均采用可编程开关，而可编程开关需占用较多的芯片面积，并会引入较大的信号延时，因此，PLA的结构不利于提高器件的集成度和工作速度。20世纪70年代出现了可编程阵列逻辑PAL。PAL是

6、Programmable Array Logic的缩写，即可编程阵列逻辑。PAL也是PLD的一种，采用“与”、“或”阵列结构，但是与PROM不同，PAL的“或”阵列是固定的，而“与”阵列则是可以编程的。随着VLSI技术的不断发展和提高，允许设计规模较大的“与”阵列。因此PAL为用户对“与”阵列编程带来了很大方便。在逻辑表达式中一般可以简化到几个积项，很少超过8个。所以在PAL中，每一个或门输入最多可以有8个乘积项，这样为用户编程提供了方便。,PAL电路的逻辑阵列结构图如图所示。图中，PAL由与阵列和或阵列构成，与阵列是可编程的，采用熔丝编程技术来实现，而或阵列是固定的。用PAL实现逻辑函数的形

7、式是与-或表达式，由于其或阵列采用固定连接，为适应不同函数与-或式中与项数不同的情况，PAL器件中或门的输入端数一般不做成一样，而是有多有少，以适应不同函数的需要。图中所示每个或门的输入端数为4个。,PAL阵列结构,4.GAL,GAL是Generic Array Logic的缩写，即通用可编程阵列逻辑。对应很多简单的数字逻辑，GAL等简单的可编程逻辑器件仍然被大量使用。目前，国内外很多对成本十分敏感的设计都在使用GAL等低成本可编程逻辑器件，越来越多的74系列逻辑电路被GAL取代。GAL等器件发展至今已经近20年了，新一代的GAL器件以功能灵活、小封装、低成本、重复可编程、应用灵活等优点仍然在

8、数字电路领域扮演着重要的角色。目前比较大的GAL器件供应商主要是Lattice半导体公司。PAL器件的发展，给逻辑设计带来了很大的灵活性，但是它所提供的灵活性是有限的，不同的输出结构需要选用不同型号的PAL器件。此外，PAL的编程元件是熔丝，一旦编程以后不能再修改，因此，限制了PAL的广泛应用。20世纪80年代，Lattice公司推出了通用阵列逻辑（GAL），采用EECMOS工艺，可以反复修改和再次编程。GAL器件在可编程阵列逻辑的基础上，增加了输出逻辑宏单元OLMC（Output Logic Macro Cell），使得GAL的特性和使用灵活性大大优于PAL，成为目前为止使用最广泛的简单PL

9、D器件。,典型的GAL器件有两类，一类是与阵列可编程、或阵列固定的电路结构，另一类GAL器件的与阵列和或阵列都可以编程，是一种新型的GAL器件。典型的GAL器件GAL18V10结构如图2-4所示，器件型号中的18表示最多有18个引脚作为输入端，10表示器件内含有10个OLMC，最多可有10个引脚作为输出端。GAL18V10的阵列图由五部分组成：10个输入缓冲器、10个输出缓冲器、10个输出逻辑宏单元、可编程与门阵列和10个输出反馈/输入缓冲器。除此以外，还有时钟信号、三态控制端、电源及地线端。由于GAL中各寄存器的时钟信号是统一的，因此单片GAL器件只能实现同步时序电路。,GAL18V10的陈

10、列结构图,2.2 复杂可编程逻辑器件（CPLD）,随着集成电路规模的不断提高，在20世纪80年代出现了比GAL规模更大的可编程器件，由于它们基本上沿用了GAL的电路结构，故称其为复杂可编程逻辑器件CPLD，又称为阵列扩展型PLD。此后在90年代初，Lattice公司率先提出了在系统可编程技术，即无需编程器，可在用户的电路板上对器件直接进行在线编程的技术，并推出了一批具有在系统编程能力的CPLD器件，使PLD技术发展到了新的高度。由于CPLD由若干个大的与-或阵列构成，故又称为大粒度的PLD。在可编程器件发展的同时，人们将可编程思想引入另一种半定制器件“门阵列”中，从而出现了可在用户现场进行编程

11、的门阵列产品，称为现场可编程门阵列FPGA。这种器件尽管也是可编程的，但它的电路结构及所采用的编程方法和CPLD不同。典型的FPGA由众多的小单元电路构成，故又称为单元型PLD，也称为小粒度PLD。CPLD和FPGA各具特点，互有优劣，因此在发展过程中也在不断的取长补短，相互渗透，不断出现新型的产品。,1.CPLD概述,CPLD是Complex Programmable Logic Device的缩写，即复杂的可编程逻辑器件。Altera为了突出特性，曾将自己的CPLD器件称为EPLD(Enhanced Programmable Logic Device)，即增强型可编程逻辑器件。其实EPLD

12、和CPLD属于同等性质的逻辑器件，目前Altera为了遵循称呼习惯，已经将其EPLD统称为CPLD。CPLD是在PAL、GAL的基础上发展起来，釆用E2CMOS工艺，也有少数厂商釆用Flash工艺，其基本结构由可编程I/O单元、基本逻辑单元、布线池和其他辅助功能模块构成。CPLD可实现的逻辑功能比PAL、GAL有了大幅度的提升，一般可以完成设计中较复杂、较髙速度的逻辑功能，如接口转换、总线控制等。CPLD的主要器件供应商有：Altera、Lattice和Xinlinx等。CPLD基本上沿用了GAL的阵列结构，在一个器件内集成了多个类似GAL的大模块，大模块之间通过一个可编程集中布线池连接起来。

13、在GAL中只有一部分引脚是可编程的，其他引脚都是固定的输入脚；而在CPLD中，所有的信号引脚都可编程，故称为I/O口。,2.CPLD的基本结构,典型CPLD的内部结构都含有通用逻辑模块GLB。GLB的作用主要是实现逻辑功能。它由可编程与阵列、共享或阵列及可重构触发器等电路组成，其中最具特色的是共享或阵列。首先，各或门的输入端固定，属于固定型或阵列，这一点与GAL相同，但各或门的输入端个数不同，既便于实现繁简程度不一的逻辑函数，又可提高与、或阵列的利用率；其次，或门的输出又接到一个可编程或阵列中，在需要时实现或门的扩展，应对复杂的逻辑函数。可重构触发器组可以根据需要构成D、JK或T触发器，GLB

14、内部的所有触发器都是同步工作的，时钟信号可以有多种选择。大部分的CPLD是基于乘积项（Product-Term）结构的。采用这种结构的CPLD芯片有：Altera的MAX7000、MAX3000系列（E2PROM工艺），Xilinx的XC9500系列（0.35m CMOS Fast Flash工艺）和Lattice的ispMACH4000、ispMACH5000（0.18m E2CMOS工艺）系列器件，Cypress的大部分产品，它们的结构都基本相同，都是由可编程I/O单元、基本逻辑单元和其他辅助功能模块构成。,Lattice的ispMACH 4000系列结构图,ispMACH 4000系列C

15、PLD主要由GLB（Generic Logic Block）、全局布线池GRP（Global Routing Pool）、输出布线池ORP（Output Routing Pool）、I/O Block等部分组成。这里的GLB有36个输入、包含16个宏单元MC（Macrocell）。宏单元是CPLD的基本逻辑单元。GLB的所有输入都来自于GRP，GLB的所有输出都输出到GRP，即使GLB要用到自己的输出信号也必须通过GRP，这样每个GLB的输出都可以通过GRP输入到芯片上的所有其他GLB。GLB的输出通过ORP布线到I/O引脚。GLB由可编程与门阵列、逻辑分配器（logic allocator）

16、、16个MC和GLB时钟发生器组成。宏单元MC由逻辑分配器的输出驱动，每个MC包含一个可编程异或门、一个可编程寄存器和一些布线和控制逻辑。,ispMACH 4000系列功能框图,3.CPLD的编程,CPLD主要基于E2PROM或FLASH存储器进行编程，编程次数可达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。不同的芯片生产厂商，其编程的工具、方法以及电路都不尽相同，如Xilinx、Altera以及Lattice公司的下载电路，都不相同，这里不一一给出，如果需要，可以到相关参考书籍或网上搜索下载。,2.3 现场可编程门阵列（FPGA）,FPGA是Fi

17、eld Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程逻辑阵列。FPGA是20世纪80年代中期出现的高密度可编程器件，短短几十年来，取得了惊人的发展，其单片集成密度从最初的1200门发展到目前的几百万门，而且时钟频率由最初不到10MHz发展到目前的300MHz。FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型髙性能可编程逻辑器件，一般釆用SRAM工艺，也有一些专用器件釆用Flash工艺或反熔丝（Anti-Fuse）工艺等。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、髙密度的高端数字逻辑电路设计领域。FPGA的基本组成部分有可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式

18、块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。FPGA的主要器件供应商有Altera、Lattice、Actel和Xinlinx等。,1.FPGA概述,FPGA由普通的门阵列发展而来，其结构与CPLD大不相同，内含许多独立的可编程逻辑模块，用户可以通过编程将这些模块连接起来实现不同的设计。由于模块很多，所以在布局上呈二维分布，可见其布线的难度和复杂性较高。FPGA具有高密度、高速率、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本，设计灵活方便，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证等特点。使用FPGA器件，可在较短的时间内完成一个电子系统的设计和制作，缩短了研制周期，达到快速上市

19、和进一步降低成本的要求。目前FPGA在我国得到了较广泛的应用。,2.FPGA的基本结构,与CPLD基于门阵列来实现逻辑功能的方式不同，FPGA是基于查找表（Look-Up-Table）结构的。查找表简称为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161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，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。不同厂家、不同系列的FPGA结构都不尽相同，Al

20、tera的Cyclone II系列FPGA的结构。如图所示。,FPGA的结构图,四个角上的PLL是锁相环，一般用它对输入的时钟进行分频、倍频以产生所需要的时钟频率。IOES（input/output elements）是I/O单元，它们用于将FPGA内部的信号布线到I/O引脚。中间黑色的部分是内置的1818乘法器（有多个）。两边灰色的是内部RAM模块。剩下白色的部分是逻辑阵列，它由多个LAB（Logic Array Block）组成。还有用于内部信号互连的布线逻辑（图中没有画出）。Cyclone II提供4个PLL（每个PLL最多可有4个输出）和由16根全局时钟线组成的全局时钟网络。全局时钟网

21、络贯穿整个芯片，可以给片内所有时序器件提供时钟。比如IOE、LE、内部乘法器和内置RAM模块等。Cyclone II中1818乘法器的数量因具体的芯片不同而各不相同，每个1818 乘法器可以配置成两个99乘法器使用。,3.FPGA的编程,大部分FPGA基于SRAM 编程，编程信息在系统断电时丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置。和CPLD的编程一样，不同生产厂商的具体电路等都不相同。基于查表（Look-Up Table）技术、SRAM工艺的FPGA(如ALtera公司的所有FLEX、ACEX和AP

22、EX系列，XiLinx公司的Spartan和Virtex系列)，由于SRAM工艺的特点，掉电后数据会消失，因此调试期间可以用下载电缆配置器件，调试完成后需要将数据固化在一个专用的E2PROM中（用通用编程器烧写），上电时由这片配置E2PROM 先对器件加载数据（亦可由CPU配置），十几毫秒后，器件即可正常工作。,4.CPLD/FPGA主流产品,目前生产CPLD/FPGA的公司主要有Altera、Xilinx、Lattice等，生产的品种和型号种类繁多各不相同。Altera主要有以下产品系列：MAX、Cyclone、Cyclone II、Stratix、Stratix II等。其中MAX是CPL

23、D系列，有MAX 3000、MAX 7000和最新的MAX II，其它的都是FPGA。MAX II系列CPLD具有低成本、低功耗、高密度等优点，MAX II的成本是MAX的一半，密度是MAX的4倍，功耗仅是MAX的十分之一。于2004年底推出，采用FPGA结构,配置芯片集成在内部，和普通PLD一样上电即可工作。容量比上一代大大增加，内部集成一片8Kbits串行E2PROM，增加很多功能，采用2.5v或者3.3v内核电压MAX II还采用了不同于传统乘积项结构的CPLD结构，使其密度大大提高。MAX II器件家族的部分芯片如下表所示。,MAX II 器件,Cyclone和Cyclone II系列

24、是低成本FPGA，面向中低端应用。Cyclone II采用90nm工艺技术，1.2v内核供电，其中1818乘法器多达150个，片内嵌入式存储器高达1.1Mbits，提供多达68,416个逻辑单元(LE)，密度超过第一代Cyclone FPGA的3倍，支持最多达四个可编程锁相环（PLL）和最多16个全局时钟线，具有较高的性能。Cyclone II器件内部的嵌入式乘法器是低成本DSP应用的理想解决方案。部分Cyclone器件和Cyclone II器件参数如下表所示。,Cyclone 器件,Cyclone II器件,Stratix和Stratix II是高性能FPGA，面向高端应用。Stratix

25、II FPGA等价逻辑单元（LE）高达180K，嵌入式存储器达到9 Mbits，Stratix II器件包括高性能的嵌入DSP块，它能够运行在370MHz，并为DSP应用进行优化，具有比DSP处理器更大的数据处理能力。Xilinx的CPLD产品系列主要有：CoolRunner、XC9500系列。FPGA产品系列主要有：Virtex、Spartan系列等。Xilinx CPLD的特点是功耗很低。Spartan 系列是与Altera的Cyclone系列相竞争的产品，而Virtex系列与Altera的Stratix系列相当。Lattice拥有众多产品系列，目前主流产品是ispMACH4000系列PLD和LatticeEC/ECP系列FPGA。,