第二章 大规模可编程逻辑电路.ppt

1 第二章大规模可编程逻辑器件 2 1可编程逻辑器件概述 第二章大规模可编程逻辑器件 2 2PLD的种类及分类方法 2 5FPGA和CPLD的选用 2 4AlteraCycloneIV系列器件概述 2 3Altera可编程逻辑器件概述 2 2 1可编程逻辑器件概述 3 可编程逻辑器件 PLD ProgrammableLogicDevices 用户构造逻辑功能 传统数字系统由固定功能标准集成电路74 54系列 4000 4500系列构成 设计灵活性小 芯片种类多 数目大 现代数字系统仅由三种标准积木块构成 微处理器 存贮器和PLD 即CPU RAM PLD模式 PLD的是其中的桥梁 2 1可编程逻辑器件概述 4 Example Low powerIntelIn VehicleInfotainmentSystem InformationEntertainmentSystem Internet Music Navigation Game DVD Email 2 1可编程逻辑器件概述 5 6 2 1可编程逻辑器件概述 20世纪70年代 20世纪80年代 20世纪90年代至今 PROM和PLA器件 FPLA器件 GAL器件 FPGA器件 EPLD器件 CPLD器件 内嵌复杂功能模块的SOC PLA器件 7 80年代初 Lattice公司推出GAL GenericArrayLogic 第二代 70年代初 PROM PLA ProgrammableLogicArray 第一代 70年代末 AMD公司推出PAL ProgrammableArrayLogic 2 1可编程逻辑器件概述 一 PLD的发展进程 8 90年代初 Lattice公司提出ISP InSystemProgramming概念 推出ispLSI 80年代中 Xilinx公司推出FPGA FieldProgrammableGatesArray Altera公司推出EPLD ErasableProgrammableLogicDevice 近年PLD的发展 密度 单片达2000万系统门以上速度 达600MHz以上线宽 已达22nm 属甚深亚微米技术 VDSM VeryDeepSubMicrometer 2 1可编程逻辑器件概述 9 高集成度 高速度 高可靠 在系统编程 ISP InSystemProgramming PLD已占整个IC产值的40 以上 PLD的产量 集成度每年增加35 成本降低40 二 PLD产品的特点 2 1可编程逻辑器件概述 10 2 1可编程逻辑器件概述 11 2 1可编程逻辑器件概述 12 2 1可编程逻辑器件概述 13 2 1可编程逻辑器件概述 14 2 1可编程逻辑器件概述 15 2 1可编程逻辑器件概述 Altera公司的SOPC Stratix II III IV V系列 16 Xilinx产品系列主要性能 2 1可编程逻辑器件概述 17 2 1可编程逻辑器件概述 18 2 1可编程逻辑器件概述 19 Xilinx公司的FPGA SOC Virtex IV 内部时钟 550MHz 等价逻辑单元 330000 DSP运行速率 500MHz Xilinx公司的FPGA SOC Virtex IV 片内RAM 10Mb 2 1可编程逻辑器件概述 20 Lattice产品系列主要性能 2 1可编程逻辑器件概述 21 PLD的最新进展 2007 3Altera发布65nm的高性能 低成本的FPGA CycloneIII 2008 3Altera发布40nm的高性能 大容量的FPGA StratixIV 2009 2Xilinx发布40nm的高性能 大容量的FPGA Virtex 6 及45nm的高性能 低成本的FPGA Spartan 6 2010 4Altera发布28nm的高性能 大容量的FPGA StratixV 2010 6Xilinx发布28nm的高性能 大容量的FPGA Virtex 7 2 1可编程逻辑器件概述 22 2010年2月23日可编程行业龙头Xilinx28纳米技术及架构发布为了达到绿色技术要求 大量产品在不惜一切努力降低功耗 在此关键时刻 FPGA产业转向采用28纳米工艺技术 FPGA只有满足低功耗和高性能的要求 才能成为片上系统 SOC 开发的理想选择 2 1可编程逻辑器件概述 PLD的最新进展 2010 4Altera发布28nm的高性能 大容量的FPGA StratixV 2010 6Xilinx发布28nm的高性能 大容量的FPGA Virtex 7 23 2 1可编程逻辑器件概述 主流PLD厂商市场份额 24 1 从互连延时入手解决系统速度问题门延时 几百ns 不足2ns互连延时 相对门延时越来越大 三 近年PLD的发展热点 2 1可编程逻辑器件概述 25 1 ISP In SystemProgrammability Programming 是指对器件 电路板 整个电子系统进行逻辑重构和修改功能的能力 这种重构可以在制造之前 制造过程中 甚至在交付用户使用之后进行 传统PLD 先编程后装配 ISPPLD 可先编程后装配 也可先装配后编程 2 在系统可编程技术 ISP 2 1可编程逻辑器件概述 26 2 1可编程逻辑器件概述 在系统可编程技术 ISP 27 非ISP工艺流程 从仓库提取器件 进半成品库 对器件编程 贴标签 提取特定器件 焊接电路板 电路板测试 编程及电路板测试 焊接电路板 从仓库提取器件 2 ISP技术简化生产流程比较 ISP技术对缩短生产周期 加快产品上市极为重要 ISP工艺流程 2 1可编程逻辑器件概述 28 设计 设计修改方便 产品面市速度快 减少原材料成本 提高器件及板级的可测试性 制造 减少制造成本 免去单独编程工序 免去重做印刷电路板的工作 大量减少库存 减少预处理成本 提高系统质量及可靠性 现场服务 支持 提供现场系统重构或现场系统用户化的可能 提供遥控现场升级及维护的可能 3 ISP技术的优越性 2 1可编程逻辑器件概述 29 现配置时间为几十 几百ms实时重配问题配置时间的极大缩短 硬件 软硬件 资源 4 ISP的进一步发展 2 1可编程逻辑器件概述 30 I 输入或输出和 II 与门 输入变量反馈缓冲器都采称为输入项 输用互补输出结构出函数称为乘积项 ProductTerm D ABC PLD中常用的符号 2 2PLD的种类及分类方法 31 III 或门 输出函数称为和项 SumTerm G A B C IV 连接符号 固定连接 编程连接 不连接 PLD中常用的符号 2 2PLD的种类及分类方法 固定连接 编程连接 32 V 编程控制的多路开关表示方法 图中 a 和 b 是等效的 只是 b 省略了控制线 它们表示由用户编程确定输出是A还是B 图 c 表示编程控制的三选一多路器 PLD中常用的符号 2 2PLD的种类及分类方法 33 Example 可编程连接点 2 2PLD的种类及分类方法 34 PLA与PROM的比较 与阵列可编程 或阵列可编程 或阵列可编程 与阵列固定 一 与或阵列 2 2PLD的种类及分类方法 35 PLD的生产厂家众多 产品名称各异 分类方法多样 常见的PLD产品 PROM EPROM EEPROM PLA FPLA PAL GAL CPLD EPLD EEPLD HDPLD FPGA pLSI ispLSI ispGAL ispGDS等 2 2PLD的种类及分类方法 36 低密度PLD 高密度PLD HDPLD 超过500门 PLD 低密度的PLD 如PLA PROM PAL GAL 高密度的PLD HDPLD 1 根据器件密度分为 2 2PLD的种类及分类方法 37 FPGA FieldProgrammableGatesArray CPLD ComplexProgrammableLogicDevice 一 FPGA 内部互连结构由多种长度不同的连线资源组成 每次布线的延迟可不同 属统计型结构 逻辑单元主体为由随机静态存储器 SRAM 构成的函数发生器 即查找表 通过查找表可实现逻辑函数功能 采用SRAM工艺 2 根据器件互连结构 逻辑单元结构分为 2 2PLD的种类及分类方法 38 含查找表的逻辑单元 FPGA 2 2PLD的种类及分类方法 39 用查找表完成半加器逻辑 F0 A0 A1 0 1 1 0 F1 A0 A1 1 0 0 0 40 四输入查找表 41 二 CPLD 内部互连结构由固定长度的连线资源组成 布线的延迟确定 属确定型结构 逻辑单元主要由 与或阵列 构成 该结构来自于典型的PAL GAL器件的结构 采用EEPROM工艺 任意一个组合逻辑都可以用 与 或 表达式来描述 所以该 与 或阵列 结构能实现大量的组合逻辑功能 2 2PLD的种类及分类方法 42 简单的 与或 阵列 PAL GAL CPLD 积项线 2 2PLD的种类及分类方法 43 CPLD的逻辑单元 2 2PLD的种类及分类方法 44 用PROM完成半加器逻辑阵列 A0A1 F0F1 0000 1010 0110 1101 45 三 CPLD和FPGA的主要区别 1 结构上的不同2 集成度的不同CPLD 500 50000门 FPGA 1K 10M门3 应用范围的不同CPLD逻辑能力强而寄存器少 1K左右 适用于控制密集型系统 FPGA逻辑能力较弱但寄存器多 100多K 适于数据密集型系统 4 使用方法的不同 2 2PLD的种类及分类方法 46 FPGA和CPLD的区别 47 一次性编程 PROM PAL重复可编程 紫外线擦除 数十次 E2CMOS工艺 上千次 SRAM结构 上万次 3 PLD根据可编程特性分为 4 PLD根据编程元件分为 熔丝型开关 可编程低阻电路元件 EPROM EEPROM SRAM 2 2PLD的种类及分类方法 48 PLD FPGA CLPD 种类繁多 特点各异 共同之处包括三大部分 a 逻辑阵列块b 输入 输出块c 互连资源 2 3Altera可编程逻辑器件概述 一个二维的逻辑块阵列 构成了PLD器件的逻辑核心 连接逻辑块的互连资源 用于逻辑块之间 逻辑块与输入 输出块之间的连接 49 PLD结构图 输入 输出块 互连资源 逻辑块 逻辑阵列 2 3Altera可编程逻辑器件概述 50 CPLD与FPGA的主要区别在于逻辑块 逻辑单元 的构成不同 CPLD的基本逻辑单元如 EPM7128 2 3Altera可编程逻辑器件概述 51 FPGA的基本逻辑单元如 EPF10K10 2 3Altera可编程逻辑器件概述 52 Altera公司PLD分为两大系列 2 3Altera可编程逻辑器件概述 MAXMAXIIMAX9000MAX7000MAX5000Classic FLEXAPEXIIAPEX20KFLEX10KFLEX8000FLEX6000 CPLD CycloneI II III IV V StratixI II III IV V FPGA高端 顶尖的性能顶尖的价格功耗大 FPGA中低端 成本低功耗低性能不低 FPGA早期 53 MAX系列 多阵列矩阵 MultipleArrayMatrix 内部结构 可编程的 与 阵列和固定 或 阵列实现逻辑功能 采用EPROM工艺 Classic MAX5000 或EEPROM工艺 MAX7000 MAX9000 属CPLD 2 3Altera可编程逻辑器件概述 MAXMAXVMAXIIMAX9000MAX7000MAX5000Classic 54 FLEX系列 灵活逻辑单元阵列 FlexibleLogicElementMatrix 内部结构 使用查找表 LookUpTable LUT 结构来实现逻辑功能 采用SRAM工艺 属FPGA FLEX10K首次采用嵌入式阵列 EAB EmbeddedArrayBlock APEX20K融合查找表 乘积项 嵌入式阵列和存贮器于一体 2 3Altera可编程逻辑器件概述 FLEXStratixVStratixIVCycloneIIIStratixIIICycloneIIStratixIICycloneStratixAPEXIIAPEX20KFLEX10KFLEX8000 55 Altera器件结构 2 3Altera可编程逻辑器件概述 56 Altera器件的用户I 0引脚和可用门 2 3Altera可编程逻辑器件概述 57 Altera器件系列系统可用门数的发展趋势 2 3Altera可编程逻辑器件概述 58 2 4Cyclone系列器件概述 59 Cyclone 系列器件资源 2 4Cyclone系列器件概述 60 结构描述 逻辑阵列块 LAB 嵌入式阵列块 EAB FastTrack I O单元 2 4Cyclone系列器件概述 61 每个LAB包含16个LE 一 逻辑阵列块 LAB LogicArrayBlock 62 4输入LUT 可编程寄存器 全局信号 二 逻辑单元LE LogicElement 是Cyclone系列芯片结构中的最小单元 进位链 63 三 快速通道互连 FastTrack FastTrack组成 行连线带 列连线带特点 快速 布线延迟可预测 灵活性稍差 64 其它FPGA连线 由不同长度的布线及开关矩阵组成分段式互连结构 优点 布线灵活弱点 布线延迟的不可预测性 XilinxXC4000系列的布线资源 65 四 嵌入式阵列块EAB EmbeddedArrayBlock 每个M9K块包含8192位 包含校验位为9216位 每个块包含一个独立的读和写使能信号 2 4Cyclone系列器件概述 EAB结构 是个高密度存储体 存储的宽度和深度可调 CycloneIVEP4CE115F29C7 M9K块 数据线 36bit 地址线 13bit 66 Cyclone 系列器件Multipliers 每个乘法器块支持18 18位乘法运算4CE115有266个乘法器块 CycloneIVEP4CE115F29C7器件 67 Multipliers内部结构 18位乘法模式 9位乘法模式 CycloneIVEP4CE115F29C7器件 68 实际器件外观 CycloneIVEP4CE115F29C7器件 69 CycloneIVEP4CE115F29C7器件 70 CycloneIVEP4CE115F29C7结构特点 114 480LEs 432M9Kmemoryblocks 9216