可编程逻辑器件的工作原理及应用教学课件PPT.ppt

第六章可编程逻辑器件的工作原理及应用 6 1可编程逻辑器件的编程原理 6 2cpld和fpga的结构和特点 6 3可编程逻辑器件的开发步骤 6 1可编程逻辑器件的编程原理 6 1 1概述 6 1 2pld的结构 表示方法 高效 低耗 高精度 高稳定 智能化 vlsic lsic ssic msic 6 1 1概述 1 数字电路的发展与可编程器件的出现 集成度 专用型 asic applicationspecificintegratelcircuit 通用型 54 74系列 74hc系列 74hct系列等 可编程器件 pld programmablelogicdevice vlsic 逻辑功能 向低电压和低功耗方向发展 5v 3 3v 2 5v 1 8v 更低 向高集成度 高速度方向发展集成度已达到400万门以上 向数 模混合可编程方向发展 向内嵌多种功能模块方向发展ram rom dsp cpu等 2 pld的发展态势 3 可编程逻辑器件的分类 按集成密度划分为 低密度可编程逻辑器件 ldpld low densitypld 1 prom programmablerom 20世纪70年代初 与阵列固定 或阵列可编程 2 pla programmablelogicarray 20世纪70年代初 与阵列 或阵列都可编程 3 pal programmablearraylogic 20世纪70年代末 与阵列可编程 或阵列固定 4 gal genericarraylogic 20世纪80年代初 大部分与阵列可编程 或阵列固定 与门阵列 或门阵列 乘积项 和项 pld主体 输入电路 输入信号 互补输入 输出电路 输出函数 可由或阵列直接输出 构成组合输出 通过寄存器输出 构成时序方式输出 6 1 2pld的结构 表示方法 1 pld的基本结构 1 连接的方式 2 pld的逻辑符号表示方法 2 基本门电路的表示方式 f1 a b c 与门 或门 a b c l a b c 1 l d f1 a b c d pld中的三种与 或阵列 与阵列 或阵列均可编程 pla 与阵列固定 或阵列可编程 prom 与阵列可编程 或阵列固定 pal和gal等 输出函数为最小项表达式 输出函数的乘积项数不可变每个乘积项所含变量数可变 输出函数的乘积项数可变每个乘积项所含变量数可变 熔丝编程技术是用熔丝作为开关元件 这些开关元件平时 在未编程时 处于连通状态 加电编程时 在不需要连接处将熔丝熔断 保留在器件内的熔丝模式决定相应器件的逻辑功能 反熔丝编程技术也称熔通编程技术 这类器件是用逆熔丝作为开关元件 这些开关元件在未编程时处于开路状态 编程时 在需要连接处的逆熔丝开关元件两端加上编程电压 逆熔丝将由高阻抗变为低阻抗 实现两点间的连接 编程后器件内的反熔丝模式决定了相应器件的逻辑功能 1 熔丝 fuse 和反熔丝 anti fuse 编程技术 3 编程连接技术 熔丝结构 反熔丝结构示意 体积小 集成度高 速度高 易加密 抗干扰 耐高温只能一次编程 在设计初期阶段不灵活 pld表示的与门 熔丝工艺的与门原理图 l a b c 高电平 a b c有一个输入低电平0v a b c三个都输入高电平 5v 低电平 l a b c 熔丝图中l ab 2 浮栅型电可写紫外线擦除编程技术 浮栅管相当于一个电子开关 如n沟浮栅管 当浮栅中没有注入电子时 浮栅管导通 当浮栅中注入电子后 浮栅管截止 浮栅管的浮栅在原始状态没有电子 如果把源极和衬底接地 且在源 漏极间加电压脉冲产生足够强的电场 使电子加速跃入浮栅中 则使浮栅带上负电荷 电压脉冲消除后 浮栅上的电子可以长期保留 当浮栅管受到紫外光照射时 浮栅上的电子将流向衬底 擦除所记忆的信息 而为重新编程做好准备 浮栅型紫外线擦除熔丝结构 早期prom器件采用此工艺 可反复编程不用每次上电重新下载 但相对速度慢 功耗较大 6 2cpld和fpga的结构和特点 6 2 1pld的发展和现状 6 2 2cpld fpga的特点 6 2 3cpld的结构和基本原理 6 2 3fpga的结构和基本原理 prom eprom eeprom只能完成简单的数字逻辑功能pal gal plapld能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能 规模较小 cpld fpga设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担 系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路 asic 芯片 而且希望asic的设计周期尽可能短 最好是在实验室里就能设计出合适的asic芯片 并且立即投入实际应用之中 因而出现了现场可编程逻辑器件 fpld 其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列 fpga 和复杂可编程逻辑器件 cpld 几乎所有应用门阵列 pld和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用fpga和cpld器件 6 2 1pld的发展和现状 1 pld的发展历程 70年代 80年代 90年代 prom和pla器件 改进的pla器件 gal器件 fpga器件 epld器件 cpld器件 内嵌复杂功能模块的sopc cpld器件 fpga器件 目前 使用较广泛的pld有cpld和fpga两大类 2 pld的现状 cpld complexprogrammablelogicdevice 复杂的可编程逻辑器件 专指那些集成规模大于1000门以上的可编程逻辑器件 rom型器件停电数据可保存 fpga fieldprogrammablegatearray 现场可编程门阵列 它是一种由掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件两者演变而来的通用型用户可编程器件 ram型器件停电数据不可保存 须与存储器连用 cpld可编程逻辑宏单元lmc logicmacrocell 结构较复杂 复杂的i o控制块 完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口 逻辑单元之间采用连续式互连结构 固定长度的金属线 内部延时时间固定 可预测 fpga可编程逻辑功能块 实现用户功能的基本单元 可编程i o块 完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口 逻辑单元之间采用分段式互连结构 不同长度的金属线 内部延时时间不固定 预测性差 6 2 2cpld fpga的特点 1 基本结构 cpld fpga 集总式互连 分布式互连 cpldepromeeromflash fpga反熔丝 actel ram xillinx 2 编程工艺 3 器件规模 altera fpga flex系列 10k 10a 10ke epf10k30eapex系列 20k 20keep20k200eacex系列 1k系列ep1k30 ep1k100stratix系列 ep1系列ep1s30 ep1s120cpld max7000 s a b系列 epm7128smax9000 a系列 fpga xc3000系列 xc4000系列 xc5000系列virtex系列spartan系列 xcs10 xcs20 xcs30cpld xc9500系列 xc95108 xc95256 xilinx 4 fpga cpld生产商 latticevantis amd isplsi系列 1k 2k 3k 5k 8kisplsi1016 isplsi2032 isplsi1032e isplsi3256amach系列isppac系列 其它pld公司 actel公司 act1 2 3 40mxatmel公司 atf1500as系列 40mxcypress公司 quiklogic公司 cpld somuchic fpgacpld 输入 输出单元 互连资源 逻辑块 5 可编程逻辑器件结构示意图 现在一般把所有超过某一集成度 如1000门以上 的pld器件都称为cpld cpld由可编程逻辑的功能块围绕一个可编程互连矩阵构成 由固定长度的金属线实现逻辑单元之间的互连 并增加了i o控制模块的数量和功能 可以把cpld的基本结构看成由可编程逻辑阵列 lab 可编程i o控制模块和可编程内部连线 pia 等三部分组成 6 2 3cpld的结构和基本原理 lab lab lab lab lab lab lab lab lab lab lab lab lab lab lab lab i o控制模块 pia max7123的结构 可编程逻辑阵列又若干个可编程逻辑宏单元 logicmacrocell lmc 组成 lmc内部主要包括与阵列 或阵列 可编程触发器和多路选择器等电路 能独立地配置为时序或组合工作方式 1 可编程逻辑阵列 lab 宏单元结构图 cpld中与 或门的表示方法 cpld的i o单元 input outputcell ioc 是内部信号到i o引脚的接口部分 根据器件和功能的不同 各种器件的结构也不相同 由于阵列型器件通常只有少数几个专用输入端 大部分端口均为i o端 而且系统的输入信号通常需要锁存 因此i o常作为一个独立单元来处理 2 可编程i o单元 ioc 可编程内部连线的作用是在各逻辑宏单元之间以及逻辑宏单元和i o单元之间提供互连网络 各逻辑宏单元通过可编程连线阵列接收来自输入端的信号 并将宏单元的信号送目的地 这种互连机制有很大的灵活性 它允许在不影响引脚分配的情况下改变内部的设计 3 可编程内部连线 pia 6 2 3fpga的结构和基本原理 fpga出现在20世纪80年代中期 与阵列型pld有所不同 fpga由许多独立的可编程逻辑模块组成 用户可以通过编程将这些模块连接起来实现不同的设计 fpga具有更高的集成度 更强的逻辑实现能力和更好的设计灵活性 fpga器件具有高密度 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 fpga是现场可编程门阵列 fieldprogrammablegatearray 的简称 80年代中期由美国xilinx公司首先推出 是一种大规模可编程数字集成电路器件 它能使用户借助计算机自行设计自己需要的专用集成电路芯片 在计算机上进行功能仿真和实时仿真 及时发现问题 调整电路 改进设计方案 fpga由可编程逻辑块 clb 输入 输出模块 iob 及可编程互连资源 pir 等三种可编程电路和一个sram结构的配置存储单元组成 clb是实现逻辑功能的基本单元 它们通常规则地排列成一个阵列 散布于整个芯片中 可编程输入 输出模块 iob 主要完成芯片上的逻辑与外部引脚的接口 它通常排列在芯片的四周 可编程互连资源 ir 包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关 它们将各个clb之间或clb与iob之间以及iob之间连接起来 构成特定功能的电路 fpga的基本结构图 1 fpga的基本结构 1 clb 2 iob 分布于芯片中央 实现规模不大的组合 时序电路 分布于芯片四周 实现内部逻辑电路与 芯片外部引脚的连接 3 ir 包括不同类型的金属线 可编程的开关 矩阵 可编程的连接点 经编成实现clb之间 clb与iob之间的连接 4 sram 存放clb iob以及互连开关的编程数据 断电时 sram信息丢失 fpga不能实现任何功能 每次通电时 需给sram 装载 信息 自动完成 信息存放在eprom sram的特点 可靠 抗干扰能力强 综合测试能力强 fpga内sram单元 clb主要由逻辑函数发生器 触发器 数据选择器等电路组成 逻辑函数发生器主要由查找表lut lookuptable 构成 函数发生器基于查找表单元 可编程逻辑块 clb pir由许多金属线段构成 这些金属线段带有可编程开关 通过自动布线实现各种电路的连接 实现fpga内部的clb和clb之间 clb和iob之间的连接 xc4000系列采用分段互连资源结构 按相对长度可分为单长线 双长线和长线等三种 iob主要由输入触发器 输入缓冲器和输出触发 锁存器 输出缓冲器组成 每个iob控制一个引脚 它们可被配置为输入 输出或双向i o功能 输入 输出模块 iob 可编程互连资源 pir 2 cpld与fpga的区别 fpga采用sram进行功能配置 可重复编程 但系统掉电后 sram中的数据丢失 因此 需在fpga外加eprom 将配置数据写入其中 系统每次上电自动将数据引入sram中 cpld器件一般采用eeprom存储技术 可重复编程 并且系统掉电后 eeprom中的数据不会丢失 适于数据的保密 fpga器件含有丰富的触发器资源 易于实现时序逻辑 如果要求实现较复杂的组合电路则需要几个clb结合起来实现 cpld的与或阵列结构 使其适于实现大规模的组合功能 但触发器资源相对较少 fpga为细粒度结构 cpld为粗粒度结构 fpga内部有丰富连线资源 clb分块较小 芯片的利用率较高 cpld的宏单元的与或阵列较大 通常不能完全被应用 且宏单元之间主要通过高速数据通道连接 其容量有限 限制了器件的灵活布线 因此cpld利用率较fpga器件低 fpga为非连续式布线 cpld为连续式布线 fpga器件在每次编程时实现的逻辑功能一样 但走的路线不同 因此延时不易控制 要求开发软件允许工程师对关键的路线给予限制 cpld每次布线路径一样 cpld的连续式互连结构利用具有同样长度的一些金属线实现逻辑单元之间的互连 连续式互连结构消除了分段式互连结构在定时上的差异 并在逻辑单元之间提供快速且具有固定延时的通路 cpld的延时较小 最大的pld供应商之一fpga的发明者 最大