（微电子学与固体电子学专业论文）fpga可配置端口电路的设计.pdf

摘要i 摘要 可配置端口电路是f p g a 芯片与外围电路连接关键的枢纽，它有诸多功能： 芯片与芯片在数据上的传递( 包括对输入信号的采集和输出信号输出) ，电压之间 的转换，对外围芯片的驱动，完成对芯片的测试功能以及对芯片电路保护等。 本文采用了自顶向下和自下向上的设计方法，依据可配置端口电路能实现的 功能和工作原理，运用c a d e n c e 的设计软件，结合华润上华0 5 tm 的工艺库，设 计了一款性能、时序、功耗在整体上不亚于x i l i n x 4 0 0 6 e 1 8 】的端口电路。主要研究以 下几个方面的内容： 1 基于端口电路信号寄存器的采集和输出方式，本论文设计的端口电路可以 通过配置将它设置成单沿或者双沿的触发方式f 7 1 ，并完成了v 豇 i l o gx l 和 的功能和时序仿真，且建立时间小于和保持时间在 左右。和h s p i c 8 】e 5 n so n sx i l i n x 4 0 0 6 e t 相比较满足设计的要求。 2 基于t a pc o n t r o l l e r 的工作原理及它对1 6 种状态机转换的控制，对1 6 种状 态机的转换完成了行为级描述和实现了捕获、移位、输出、更新等主要功能仿真。 3 基于边界扫描电路是对触发器级联的构架这一特点，设计了一款边界扫描 电路，并运用v e r i l o gx l 和h s p i c e 对它进行了功能和时序的仿真。达到对芯片电 路测试设计的要求。 4 对于端口电路来讲，有时需要将从c l b 中的输出数据实现异或、同或、与 以及或的功能，为此本文采用二次函数输出的电路结构来实现以上的功能，并运 用v e r i l o g 和 对它进行了功能和时序的仿真。满足设计要求。x l h s p i e e 5 对于o 5 m 的工艺而言，输入端口的电压通常是3 3 v 和5 v ，为此根据设 置不同的上、下m o s 管尺寸来调整电路的中点电压，将端口电路设计成3 3 v 和 5 v 兼容的电路，通过仿真性能上已完全达到这一要求。此外，在输入端口处加上 扩散电阻r 和电容c 组成噪声滤波电路，这个电路能有效地抑制加到输入端上的 白噪声型噪声电压【2 】。 6 在噪声和延时不影响电路正常工作的范围内，具有三态控制和驱动大负载 的功能。通过对管子尺寸的大小设置和驱动大小的仿真表明：在实现t t l 高电平 输出时，最大的驱动电流达到1 7 0 m a ，而对应的x i l i n x 4 0 0 6 e 的t t l 高电平最大驱 动电流为1 4 0 m a 8 】；同样，在实现c m o s 高电平最大驱动电流达到2 0 0 m a , 而 x i l i n x 4 0 0 6 e 的c m o s 驱动电流达到1 7 0 t m m a 。 7 与x i l i n x 4 0 0 6 e 端口电路相比，在延时和面积以及功耗略大的情况下，本论 文研究设计的端口电路增加了双沿触发、将输出数据实现二次函数的输出方式、 通过添加译码器将配置端口的数目减少的新的功能，且驱动能力更加强大。 f p g a 可配置端口电路的设计 关键词：现场可编程门阵列端口电路边界扫描电路c a d e n c e 仿真 i i i a b s t r a c t p o r tc i r c u i t sc a nb ec o n f i g u r e df p g ac h i pa n dt h ee x t e r n a lc i r c u i tc o n n e c t i n gk e y h u b ，i th a sm a n yf u n c t i o n s ：c h i p - t o c h i pd a t at r a n s f e ri n ( i n c l u d i n gt h ea c q u i s i t i o no f t h e i n p u ts i g n a la n do u t p u ts i g n a lo u t p u t ) ，t h ev o l t a g ec o n v e r s i o no f t h ee x t e r n a lc h i pd r i v e , c o m p l e t i o no f t h et e s tf u n c t i o n s ，a sw e l la sc h i p - t o c h i pc i r c u i tp r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r , u s i n gat o p d o w na n db o t t o mo ft h ed e s i g nm e t h o d , b a s e d0 1 1p o r t c i r c u i tc a nb ec o n f i g u r e dt oa c h i e v et h ef u n c t i o n a la n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h eu s eo f c a d e n c ed e s i g ns o f t w a r e ，t h ec o m b i n a t i o no fc r c ，t h e0 5 mp r o c e s s ，d e s i g n e da p e r f o r m a n c e 、t i m i n g 、p o w e ro nt h ew h o l ei n f e r i o rx i l i n x 4 0 0 6 ep o r tc i r c u i t o nt h e f o l l o w i n gm a i na s p e c t s ： 1 p o r tc i r c u i ts i g n a lb a s e do nt h ec o l l e c t i o na n do u t p u tr e g i s t e r , t h ep a p e rp o r t c i r c u i td e s i g nc a nb ec o n f i g u r e dt os e tas i n g e - o rd u a l e d g ea l o n gt h et r i g g e r , a n d c o m p l e t e dv c d l o g _ x la n dh s p i c ef u n c t i o n a la n dt i m i n gs i m u l a t i o n , a n ds e t - u pt i m ei s l e s st h a n51 1 sa n dm a i n t a i n0n st i m ea r o u n d a n dx i l i n x 4 0 0 6 ec o m p a r e dt os a t i s f yt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s 2 t a pc o n t r o l l e rb a s e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n di t s16s t a t em a c h i n e c o n v e r s i o nc o n t r o lo ft h es t a t em a c h i n e16c o m p l e t e dt h ec o n v e r s i o no ft h ec l a s s d e s c r i b e da n dt h ea c h i e v e m e n to fc a p t u r e ，s h i r ，o u t p u t ，u p d a t ea n dm a j o rf u n c t i o n a l s i m u l a t i o n 3 b a s e do nt h eb o u n d a r y - s c a nc i r c u i tt r i g g e rc a s c a d ef r a m e w o r ko ft h i s ，a b o u n d a r y - s c a nd e s i g no ft h ec i r c u i t , a n db s ev e r i l o 盥a n dh s p i c e ，a n dc o n d u c t f u n c t i o n a la n dt i m i n gs i m u l a t i o n t ot e s tt h ec h i pc i r c u i td e s i g nr e q u i r e m e n t s 4 t op o r tc i r c u i ts p e a k i n g ，s o m e t i m e s ，t h ec l bw i l ln e e dt oo u t p u td a t at oa c h i e v e x o r 、n o r 、a n da n do r s ot h ef u n c t i o n so ft h i sp a p e ru s i n gq u a d r a t i cf u n c t i o no f t h eo u t p u tc i r c u i ts t r u c t u r et oa c h i e v et h ea b o v ef u n c t i o n s ，a n du s eh s p i c ea n d v e r i l o g lt ot h ef u n c t i o n a la n dt i m i n gs i m u l a t i o n m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 5 t o0 5 mp r o c e s s ，t h ei n p u tv o l t a g ei su s u a l l y5va n d3 3v ，a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n t , t h es i z eo ft h em o sc i r c u i tt oa d j u s tt h em i d p o i n tv o l t a g e ，c i r c u i td e s i g ni n t o t h ep o r ta n d3 3v 、5 v c o m p a t i b l ec i r c u i ts i m u l a t i o np e r f o r m a n c e h a sb e e nf u l l ym e e t t h i sr e q u i r e m e n t i na d d i t i o n , t h ei n p u tp o r tw i t ht h ep r o l i f e r a t i o nr e s i s t a n c era n dc c o m p o n e n t sn o i s ef i l t e r i n gc a p a c i t o rc i r c u i t , t h i sc i r c u i tc a l le f f e c t i v e l yi n h i b i ti n p u t a d dt h ew h i t en o i s e - n o i s ev o l t a g e 6 p o r tt od r i v eo u t p u tb u f f e rc i r c u i ts t r u c t u r e i no r d e rt oa v o i dt h ee f f e c t so f 也e f p g a 可配置端口电路的设计 l o c kc m o sc i r c u i t , t h eo u t p u t - p o r tc i r c u i tu s i n gas i n g l et y p eo fn c h a n n e lm o s e n h a n c e dt u b e s ，i n s t e a do fu s i n gp c h a n n e la n dn c h a n n e lc o m p l e m e n t a r yc m o s s t r u c t u r e d e l a yi nt h en o i s ea n dd o e sn o ta f f e c tt h en o r m a lw o r k i n go ft h ec i r c u i t ，a t h r e e s t a t ec o n t r o la n dd r i v et h ei o a df u n c t i o n t h r o u g ht h et u b es i z es e t t i n g sa n dt h es i z eo ft h es i m u l a t i o ns h o w st h a td r i v es i z e ： t t li n a c h i e v i n gh i g h o u t p u t , t h el a r g e s td r i v ec u r r e n t o f17 0m a n dt h e c o r r e s p o n d i n gx i l i n x 4 0 0 6 et t lo ft h el a r g e s th i g h - o u t p u td r i v ec u r r e n to f14 0m a ； s i m i l a r l y , i nt h er e a l i z a t i o no fh i g h o u t p u tc m o s ，i t sl a r g e s tc u r r e n td r i v er e a c h e d n e a r l y2 0 0m a ，a n dt h ex i l i n x 4 0 0 6 el a r g e s td r i v ec u r r e n to f17 0m a 7 c o m p a r e d 谢t hx i l i n x 4 0 0 6 ep o r tc i r c u i ti nt h ea r e a , a sw e l l8 8d e l a ya n dt h e p o w e rc o n s u m p t i o ns l i g h t l yc i r c u m s t a n c e s ，t h et h e s i sr e s e a r c hd e s i g n e dt oi n c r e a s et h e d u a l - p o r tc i r c u i ta l o n gt h et r i g g e r , t h eo u t p u td a t at oa c h i e v eq u a d r a t i cf u n c t i o no f o u t p u tt h r o u g ha d dd e c o d e rw i l lr e d u c et h en u m b e ro fp o r tc o n f i g u r a t i o no ft h en e w f e a t u r e s ，a n dm o r ep o w e r f u ld r i v ec a p a b i l i t y k e yw o r d s ：f p g a , i o ( p o r t ) c i r c u i t , b o u n d a r y - s c a nc i r c u i t , c a d e n c es i m u l a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 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】的添加可以减少噪声； 3 到9 0 年代后，可编程逻辑电路发展空前迅速，门数超过了百万门，这时端 口电路的功能更为强大，加上了好多功能： ( 1 ) 本世纪初在s p a r t a n x l 系列产品的端口电路中已经具有将输出数据实现 二次函数的输出方式【l j 这一个功能； ( 2 )s p a r t a n 3 系列中，端口电路通过配置实现单沿或者是双沿触发【7 】【9 】的方 式； ( 3 ) 端口时序的优化，方便数据的采集，有三种方法解决亚稳态的情况：比如内 部的锁相环( p i l l 的添加，可以使端口电路更加方便的采集从触发器输入进来的信 号，满足触发器对信号建立时间的要求；或者是添加一个触发器和一个或门来解 决电路的亚稳态情况【3 】；还有就是在内部添加一个可配置的延时单元【1 0 1 ，可以根据 需要来选择延时的大小去实现数据的采集。 2 f p g a 可配置端口电路的设计 1 2国内f p g a 芯片研究现状 1 由于国内f p g a 芯片的研究出现过中断，因此在国内f p g a 芯片发展时间 不长，主要技术及专利处于国外垄断状态，与国外f p g a 技术的迅速发展相比，目 前国内在这方面技术的研究还处于研究起步阶段。而且主要做的是反向设计。同 时，目前我国对于f p g a 芯片的研究还是以应用为主，而在产品的制造上还处于 落后地位。 2 由于f p g a 芯片具有能够减少电子系统的开发风险和开发成本等优点，国 内通信公司对它的需求很大，每年用于购买f p g a 芯片的费用在千万美元以上， 它在航空、航天和军事上也具有其它器件所不可替代的作用。由于目前国内采用 f p g a 器件品。因此，如果国外厂家停产，国内集成电路没有相应的产品替换，航 天军民用型号装备将面临全面“断粮”的局面。 3 质量与可靠性的隐患。多年以来航天型号使用的许多关键集成电路由于买 不到需要的高质量等级产品，不得不降格买工业级的电路，通过严加筛选后使用。 这种方式不仅难以进行质量控制，而且大量进口元器件没有可靠的质量保证体系 和检验机构做后盾，造成了质量与可靠性的隐患。f p g a ，c p u m p u ，m c u ，d s p 等 大规模集成电路，由于无法测试( 测试码是在设计过程中生成的) ，导致一方面这些 复杂电路本身可能存在设计时预留的“陷阱，敌对国家可以通过它们利用、控制 以及摧毁我们重点型号：另一方面，这些电路出现技术问题和质量问题时分析工作 无从着手，无法真正做到技术问题“归零 ，如果“归零 的结果归到了国外，也 就无法使出现的问题从根本上得到解决。 近年来，很多专家学者不断提出航天电子系统用集成电路立足自主研制的建 议，国家领导层对此也十分关注。因此，开展具有自主知识产权的可编程电路研 究意义非同寻常。目前国内仅有少数几家高校和科研单位开展这方面的研究工作。 基于这个形势及国内市场的需求，中国电子科技集团第5 8 研究所近年来对f p g a 相关设计技术进行了立项研究，本课题( f p g a 可配置端口电路的设计) 正是作为 该项目的一部分，深入地研究了f p g a 相关的设计技术，并进行实际的f p g a 器 件设计，对国内f p g a 产业发展有着重要的作用。 1 3 本文的安排 本文共分为以下几个章节： 第一章：主要简单介绍一下该课题研究的背景及意义：主要阐述了目前国内 外关于f p g a 端口电路发展情况以及f p g a 芯片在国内设计的境况。 第二章：该章分三个主要的部分：第一部分首先按时间顺序简单介绍一下整 个p l d ( p r o g r a m m b l el o g i cd e v i c e ) 的发展过程；第二个部分为了更好的认识p l d 第一章绪论 3 器件，主要是介绍p l d 的分类；第三部分主要是介绍简单复杂p l d 的端口电路结 构和功能，其中介绍第一第二部分只是起到帮助作者更深入理解端口电路这样一 个辅助作用。 第三章：本章节重点介绍了边界扫描电路的结构以及它的指挥系统t a p 的工 作过程。通过研究知道边界扫描电路是许多触发器级联而成，并且排列在芯片的 四周，t a p 是操纵这些级联触发器的大脑，而对于t a p 的不同设置可以完成各种对 芯片的测试功能。最后的仿真结果是对t a p 工作过程理解的最好证明。有助于下 一章端口电路设计。 第四章：该章是论文的主体是设计的端1 3 电路的详细介绍，主要是先总从整体 上介绍作者设计的电路结构以及主要有哪些方面的功能，这一步主要是在对第二 章各种端口电路有一个较为深入理解以及对第三章的t a p 工作过程和边界扫描电 路结构有深入研究的基础上总结出来的，所以这一章是按照正反向相结合的设计方 法来设计端口电路：先用v e r i l o gh d l 语言将端口电路作一个可综合的行为级的描 述；然后对硬件描述语言做各种功能仿真；接着在对电路优化作更进一步的功能 和时序上仿真；进而在时序功能以及功耗上将它与x i l i n x 4 0 0 6 e 端口电路作比较。 最后将在做论文时关于e s d 掌握的资料做一下总结，作为对端口电路设计的补充， 在设计端口电路可以有好几种的e s d 保护结构。 第二章f p g a 的简介及其端口电路功能结构 5 第二章f p g a 的简介及其端口电路功能结构 2 1f p g a 的发展历程 p l d 从2 0 世纪7 0 年代发展到现在，已形成了许多类型的产品，其结构、工 艺、集成度、速度和性能都在不断改进和提高。其演变过程大致如下： 1 2 0 世纪7 0 年代，熔丝编程的p r o m 和p l a 器件是最早的可编程逻辑器件。 2 2 0 世纪7 0 年代末，对p l a 进行了改进，a m d 公司推出p a l 器件。 3 2 0 世纪8 0 年代初，l a t t i c e 公司发明电可擦写的，比p a l 使用更灵活的g a l 器件。 以上时间出现的p l d 的端口电路中一般输入电路是由输入由缓冲器组成，它 使输入信号具有足够的驱动能力并产生互补输入信号；输出电路可以提供不同的 输出方式，如直接输出( 组合方式) 或通过寄存器输出( 时序方式) 。此外，输出 端口上往往带有三态门，通过三态门控制数据直接输出或反馈到输入端。 4 2 0 世纪8 0 年代中期，x i l i n x 公司提出现场可编程概念，同时生产出世界上 第一片f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 器件，即基于s r a m 的f p g a 器 件工作前需要从芯片外部加载配置数据，配置数据可以存储在片外的e p r o m 或 者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，称所 谓现场可编程。同一时期，a l t e r a 公司推出e p l d 器件，较g a l 器件有更高的集 成度，可用紫外线或电擦除。 5 2 0 世纪8 0 年代末，l a t t i c e 公司又提出在系统可编程技术，并且推出了一系 列具备在系统可编程能力的c p l d 器件，将可编程逻辑器件的性能和应用技术推 向了一个新的高度。 6 进入2 0 世纪9 0 年代后，可编程逻辑集成电路技术进入飞速发展时期，器 件的可用逻辑门数超过了百万门，并出现了内嵌复杂功能模块( 如加法器、乘法 器、r a m 、c p u 核、d s p 核、p l l 等) 的s o p c ( s y s t e mo na p r o g r a m m a b l ec 脚) 。 2 2p l d 的分类 2 2 1 从结构上分 ( 1 ) 乘积项结构 基本结构为“与或阵列”，大部分简单p l d 和c p l d 都属于此范畴。常用的可 编程逻辑器件都是从“与或阵列”和“门阵列两类基本结构发展起来的。 ( 2 ) 查找表结构 由简单的查找表组成可编程门，再构成阵列形式，大多数f p g a 属于此类器 6f p g a 可配置端口电路的设计 件。查找表结构是从r o m 工作原理、地址信号与输出数据间的关系，以及a s i c 的门阵列法中获得启发，构造出的可编程逻辑结构，它的逻辑函数发生采用 r a m “数据”查找的方式，并使用多个查找表构成一个查找表阵列，称为可编程门 阵列( p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 。 2 2 2 从编程工艺上分 1 熔丝型器件 编程过程就是根据设计的熔丝图文件烧断对应的熔丝，达到编程目的。如早 期的p r o m 器件。 2 反熔丝( a n t i f u s e ) 型器件 其是对熔丝技术的改进，在编程处通过击穿漏层使得两点之间获得导通，这 与熔丝烧断获得开路正好相反。如a c t e l 公司的f p g a 器件。无论是熔丝还是反熔 丝结构，都只能编程一次，因而又被称为o t p 器件，即一次性可编程( o n et i m e p r o g r a m m i n g ) 器件。 3 e p r o m 型 紫外线擦除电可编程逻辑器件。它是用较高的编程电压进行编程，用紫外线 进行擦除。与熔丝、反熔丝型不同，可多次编程。有时为降低生产成本，在制造 e p r o m 型器件时不加用于紫外线擦除的石英窗口，于是就不能用紫外线擦除，而 只能编程一次，也被称为o t p 器件。 4 e e p r o m 型 电可擦写编程器件。现有的大部分c p l d 及g a l 器件采用此类结构。它是对 e p r o m 的工艺改进，不需要紫外线擦除，而是直接用电擦除。 5 s ra m 型 s r a m 查找表结构的器件。大部分f p g a 器件都采用此种编程工艺。如x i l i n x 和a l t e r a 的f p g a 器件都采用s r a m 编程方式。这种编程方式在编程速度、编程 要求上优于前四种器件，不过s r a m 的编程信息存放在r a m 中，在断电后就丢 失了，再次上电需要再次编程( 配置) ，因而需要专用器件来完成这类配置操作。 而前四种器件在编程后是不会丢失编程信息的。 6 f l a s h 型 由于反熔丝结构的可编程逻辑器件只能一次性可编程，对于产品的研发和升 级带来了麻烦。采用反熔丝工艺的a e t e l ，为了解决上述反熔丝器件的不足之处， 推出了采用f l a s h 工艺的f p g a ，可以实现多次可编程，同时做到掉电后不需要重 新配置。 7 对于大规模可编程逻辑器件，在习惯上，还有另外一种分类方法，即从编 程后，对于单个可编程器件来说，可以或不可以掉电后重新上电能保持编程的逻 第二章f p g a 的简介及其端口电路功能结构 7 辑：可以保持的称为c p l d ，反之称为f p g a 。 2 2 3 从集成度上分 1 简单低密度p r o m 、p l a 、p a l 、g a l 2 复杂高密度c p l d 、f p g a 2 3 几种简单p l d 电路简介 本节在简单介绍p l d 器件结构的时候，把端口电路的结构功能作为一个重点 去详细地介绍。 2 3 1 简单p l d 的基本结构 输入项 乘积项 或项 输入 图2 1 简单p l d 乘积项结构 输出 1 由于任何组合逻辑函数都可以化为“与一或”表达式，因此任何组合电路都 可以用“与门一或门”二级电路实现。同样，任何时序电路都可由组合电路加上存储 元件( 如寄存器) 构成。由此，人们提出了一种可编程电路结构，即乘积项逻辑 可编程结构。 2 简单p l d 包括p r o m 、p l a 、p a l 和g a l 。其结构特点是由与阵列和或 阵列组成，能有效地实现“积之和”形式的布尔逻辑函数，与或阵列在硅片上也非常 容易实现。与或表达式是布尔代数的常用表达式形式，根据布尔代数的知识，所 有的逻辑函数均可以用与或表达式描述。 3 在数字电路课程中，大家已经学过利用卡诺图、摩根定理和q m 表，将真 值表或其它形式的逻辑函数转换成与或表达式的方法。与或阵列的结构可以通过 改变与或阵列的连接来实现不同的逻辑功能。不论改变与阵列的连接，还是改变 或阵列的连接，都可以使所实现的逻辑函数发生变化。 4 图中与阵列和或阵列是电路的主体，主要用来实现组合逻辑函数。输入由 缓冲器组成，它使输入信号具有足够的驱动能力并产生互补输入信号。输出电路 可以提供不同的输出方式，如直接输出( 组合方式) 或通过寄存器输出( 时序方 式) 。此外，输出端口上往往带有三态门，通过三态门控制数据直接输出或反馈到 输入端。 5 输入信号经互补缓冲器输入，通过固定或者可编程的连接加到与阵列的输 8 f p g a 可配置端口电路的设计 入，与阵列产生的多个乘积项，再通过固定或者可编程的连接加到或阵列的输入， 从而完成”积之和“运算。 6 简单p l d 器件是早期出现的可编程逻辑器件，逻辑规模小，只能实现通用 数字逻辑电路( 如7 4 系列) 的一些功能。 2 3 2p r o m 的结构 p r o m 的结构如图2 2 所示： 碌鼯 广、 l n l 。 n l 。 n l n l 广、 u 广、 u n l _ 卜= (了c了c了 图2 2p r o m 阵列结构图 1 p r o m 由固定的与阵列和可编程的或阵列组成。由于价格低，易于编程， 速度低，适合于存储函数和数据表格，因此主要用作存储器。典型的e p r o m 有 2 7 1 6 、2 7 3 2 等。 2 p r o m 所表达的阵列结构的与阵列是全译码，产生了全部最小项，在实际 应用中，多数组合逻辑函数并不需要所有最小项。输入变量的增加会引起存储容 量按2 的幂次增加，因此多输入变量的组合电路函数不适合用单个p r o m 来编程 表达。 3 这种编程方法有两个缺点：一是采用大阵列实现简单逻辑会产生许多冗余 项，造成面积的浪费，而且冗余节点的电容对电路的功耗和延迟有贡献；二是无 法实现时序逻辑。 4 在图2 2 ，左边部分为与阵列，右边部分为或阵列，与门采用“线与”的形式； 在交叉点上的符号，实点表示固定连接，“ 号表示可编程连接。输入信号通过互 补缓冲器输入，通过交叉点上的连接加到函数的与或表达式的乘积项中。与阵列 产生的多个乘积项，通过或阵列的交叉点连接，完成函数的或运算。 第二章f p g a 的简介及其端口电路功能结构 9 2 3 3p l a 结构简介 p l a 电路结构如图2 3 所示： m蠕v ，jn l n l 广、 l 。 n l 。 n l 。 n i 1 卜1r 1 图2 3p l a 阵列结构 p l a 由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成。p l a 的资源利用率较p r o m 高，但因其与或阵列均可编程，需要求出逻辑函数的最简表达式，对于多输出的 函数还要提取并利用公共的与项，涉及的软件算法复杂，导致支持p l a 的开发软 件少，因而没有得到广泛应用。 2 3 4 p a l ( g a l ) 阵列的结构 p a l 阵列的结构如图2 4 所示： vrv ，n i ， n l ， n l n i ， n n l 。1 1r 1 i 图2 4p a l ( g a l ) 阵列的结构图 1 p a l 和g a l 基本门阵列结构相同，均为与阵列可编程，或阵列固定连接， 送到或门的乘积项数目固定，设计算法简单。 2 p a l 采用熔丝编程方式，双极性工艺制造，器件工作速度高。是第一个得 到普遍应用的可编程逻辑器件，如p a l l6 l 8 。 3 g a l 采用e e p r o m 工艺。 1 0f p g a 可配置端口电路的设计 4 p a l 和g a l 的输出结构不同。p a l 的输出结构是固定的，不能编程。g a l 的输出结构可编程。 5 p a l 已被g a l 取代。 下面简单介绍一下p a l 的几种输出结构 p a l 采用双极型工艺制作，熔丝编程方式。改种器件由可编程的与逻辑阵列， 固定的或逻辑阵列和输出电路三部分组成。通过对与逻辑阵列编程可以获得不同 形式的组合逻辑函数。另外，在有些型号的p a l 器件中，输出电路中设置有触发 器和从触发器输出到与逻辑阵列的反馈线，利用这种p a l 器件还可以很方便地构 成各种时序逻辑电路。 目前常见的p a l 器件中，输出变量最多的可达2 0 个，与逻辑阵列乘积项最多 的有8 0 个，或逻辑阵列输出端最多的有1 0 个，每个或门输入端最多的达1 6 个。 为了扩展电路的功能并增加使用的灵活性，在许多型号的p a l 器件中还增加了各 种形式的输出电路。根据p a l 器件输出电路结构可将他们大致分为专用输出结构， 可编程输入输出结构，寄存器输出结构，异或输出结构三种结构。 ( 1 ) 专用输出结构【2 】 图2 5 具有互补输出的专用输出结构 图2 5 给出的p a l 电路就属于这种专用输出结构，它的输出端是一个与或门。 在有些p a l 器件中，输出端还采用了与或非门结构或者互补输出结构。图上还给 出了互补输出的结构。专用输出结构的共同特点是所有设置的输出端只能用作输 出使用。下面还会看到，在另外一些输出结构的p a l 器件中，输出端在一定的条 件下还可以当作输入端使用。 这种专用输出结构的p a l 器件只能用来产生组合逻辑函数。 p a l l 0 h 8 ，p a l l 4 h 4 ，p a l l 0 l 8 ，p a l l 4 l 4 ，p a l l 6 c 1 等都是专用输出结构的器件。其 中p a l l 0 h 8 和p a l l 4 l 4 d 输出端是与或门结构，以高电平作输出信号( 高电平有 效) ；p a l l 0 l 8 和p a l l 4 l 4 的输出端是与或非门结构，以低电平作输出信号( 低 第二章f p g a 的简介及其端口电路功能结构 1 1 电平有效) ；p a l l 6 c 1 的输出端是互补输出的或门结构，同时输出一对互补的信号。 ( 2 ) 可编程输入输出结构【2 】 n c _ l _ ， 1 广、 f _ 一、 、一l、 黑广陟彳1 l _ ，一 。l l 磨一 酬 i i j hc ： l_， 厂一、 r 、广1 、ll 黑婚 l r 一 一； h 一 喀 酬g 3 图2 6p a l 的可编程输入输出结构 可编程输入输出结构( 简称可编程i o 结构) 的电路结构图如图2 6 所示。它 的输出端是一个具有可编程控制端的三态缓冲器，控制端由与逻辑阵列的一个乘 积项给出。同时，输出端又经过一个互补输出的缓冲器反馈到与逻辑阵列上。 在图2 7 所示的编程情况下，当- 2 2 。1 时，上边一个缓冲器q 的控制端 l t2 1 ，川u 处于输出工作状态。对下边一个缓冲器u 2 而言，它的控制端l 2 恒等 于零，uz 处于高阻态，因此可以把川作为变量输入端使用。这时加到川上 的输入信号经过u ，接到与逻辑阵列的输入端( 图中的第6 ，7 列) 。 属于这种输出结构的器件有p a l l 6 l 8 ，p a l 2 0 l 0 等。 图2 7 带有异或门的可编程输入输出结构 y 在有些可编程i o 结构的p a l 器件中，在与或逻辑阵列的输出和三态缓冲器 之间还设置有可编程的异或门，如上图所示，通过对异或门一个可编程输入端的 编程可以控制输出的极性。当x o r - 0 时，y 与s 同相；而当x o r = l 时，y 与 s 反相。在用p a l 设计组合逻辑电路时经常会遇到求反函数的情况。例如所设计 的与一或逻辑函数的乘积项数多于或门的输入端数，而它的反函数包含的乘积项 少于或门的输入端数目时，可以先通过对与逻辑阵列编程产生反函数，然后再利 用对异或门编程求反，最后得到所求的函数。 1 2 f p g a 可配置端口电路的设计 ( 3 ) 寄存器输出结构【2 】 p a l 的寄存器输出结构如图2 8 所示，它在输出三态缓冲器和与一或逻辑阵列 的输出之间串进了由d 触发器组成的寄存器。同时，触发器的状态又经过互补输 c l ko e f f ,i p 、气。 d tdq ： 一叶 _ p c l k1 ：b 之一， ， yr 叉l) 吕 r _ 、弋、 ，r l - - 一，、 d 譬之， i d q 一 p 蚕1 2 z 2 纠 q 2 图2 8p a l 的寄存器输出结构 q 1 出的缓冲器反馈到与逻辑阵列的输入端。利用这种输出结构不仅可以储存与一或 逻辑阵列输出的状态，而且能很方便地组成各种时序逻辑电路。例如将与逻辑阵 列按图所示的编程，则得到d l = ，d 2 = g 因此，两个触发器和与一或逻辑阵列一 起组成了一位寄存器。 属于寄存器输出结构的p a l 器件有p a l l 6 r 4 ，p a l l 6 r 6 ，p a l l 6 r 8 等。 ( 4 ) 异或输出结构【2 】 u u 髓 d1 3 ，j 。， ，隆 咤h o 匮 剧n 一 ”兰 吨n l 一训 2 9p a l 的异或输出结构 异或输出结构型n 虬的电路结构如图2 9 所示，它的电路结构与寄存器输出 机构相类似，只是在与一或逻辑阵列的输出端有增设了异或门。 利用这种电路结构不仅便于对与一或逻辑阵列输出的函数求反，还可以实现 对寄存器状态进行保持的操作。例如在下图所示的编程情况下，当，= o 时1 - 7 1 = 场， 所以缕二2 研在时钟信号到来时触发器的状态保持不变。当厶宅堕，d l = q 1 ，所以 饼“= 鲜。盟壬工面一个触发器，当1 1 = 0 时，d 2 = k = q l 厶+ o i l 2 ；而当厶：1 时，蟛2 场。盟壬工面一个触发器，当时，2 j 22 蜴。2 ；而当1 l = 1 时， 砬= e = q i l 2 + q 1 厶；即得到e 的反函数。 第二章f p g a 的简介及其端口电路功能结构 1 3 ( 5 ) 运算选通反馈结构【2 】 在异或输出结构的基础上再增加一组反馈逻辑电路，就构成了如图2 1 0 所示 的运算选通反馈机构。 工叫 量圭多 二十a 卜 七酗 n 一 畿一 水 叫 一 2 1 0p a l 的运算选通反馈结构 反馈选通电路分别给出了输入变量雪和反馈变量么产生的( 彳+ b ) ， 似+ b ) ，+ 召) ，( 么+ b ) ，4 个反馈量，并接至与逻辑阵列的输入端。通过对与逻辑阵 列的编程，能产生么和曰的1 6 中算术运算和逻辑运算结果。 图上给出了产生这1 6 种运算的编程情况。 属于运算选通反馈结构的器件有p a l l 6 x 4 ，p a l l 6 a 4 等。 2 3 5g a l 的输出结构 g a l 的输出结构可由用户定义，是一种灵活可编程的输出结构。g a l 的两 种基本型号g a l l 6 v 8 ( 2 0 引脚) g a l 2 0 v 8 ( 2