第八章 可编程逻辑器件清华李立

第八章可编程逻辑器件 8 1概述8 2现场可编程逻辑阵列 FPLA 8 3可编程阵列逻辑 PAL 8 4通用阵列逻辑 GAL 8 5可擦除的可编程逻辑器件 EPLD 8 6现场可编程门阵列 FPGA 8 7基于CPLD的数字系统设计8 8EDA工具MAX PLUS2的使用方法 8 1 1集成电路设计方法演变电子管与晶体管少数门的小规模集成电路几百门的中规模集成电路几千门的大规模集成电路 计算机辅助设计出现 数万乃至数十万个晶体管单片超大规模集成电路ASIC 专用集成电路 面包板等模式验证不可能 计算机辅助设计与验证成为关键 8 1概述 可编程逻辑器件 ProgrammableLogicDevice PLD为通用器件 用户可编程实现不同的逻辑功能 成功解决了ASIC设计制造成本高 周期长的矛盾 系统级集成电路集成电路工艺的发展 深亚微米制造技术 设计技术 集成电路已进入片上系统时代 即系统级集成电路 成称片上系统 英文为SOC SystemOnChip 或SLI SystemLevelIC 如在单一硅片上集成数字电路 模拟电路 信号采集与转换 存储器 MPU MCU DSP MPEG等 8 1概述 8 1概述 8 1 2PLD特点及分类PLD的特点 可编程性高 开发工具先进 设计周期短 集成度高 成本低 性能可靠等 PLD分类1 简单PLD 低密度 PROM 可编程ROM 与矩阵固定 或矩阵编程PLA 可编程逻辑阵列 与或矩阵均可编程 PAL 可编程阵列逻辑 或矩阵固定 与矩阵编程2 GAL 通用阵列逻辑 或矩阵固定 与矩阵编程 3 复杂PLD CPLD高密度 EPLD 电可擦除PLD 基于与或阵列的GAL扩展型FPGA 现场可编程门阵列 基于门阵列逻辑单元型 8 1 3在系统编程 ISP 技术 PLD的编程技术由 熔丝型 光擦除型 电擦除型 在系统编程型 ISP InSystemProgrammable 定义 具有在目标系统或线路板上为重构逻辑而对器件进行编程和反复改写的能力 PLD的ISP技术 无需改动器件或电路版即可直接修改PLD系统功能 无需使用编程器 否则 须利用编程器 MPU 及适配器进行器件编程 特点 先装配后 反复 编程 不伤引脚 真正实现硬件设计软件化 简化维护升级 缩短设计调试周期 现场测试更新 8 1概述 8 1 4PLD结构框图 8 1概述 8 1 5PLD的与或结构示例 8 1概述 8 1概述 8 1 5PLD的与或结构示例 8 2现场可编程逻辑阵列 FPLA P405组合逻辑型 ROM的与阵列固定 FPLA与阵列可编程 FPLA与阵列能产生的乘积项比ROM少 ROM与阵列产生了全部最小项 利用率低 8 2现场可编程逻辑阵列 FPLA P407时序逻辑型 8 3可编程阵列逻辑 PAL 8 3 1PAL的基本结构 可编程与阵列 固定或阵列 8 3 1PAL的基本结构 举例 8 3 2PLD输出结构 1 2 8 3 2PLD输出结构 P411 3 8 3 2PLD输出结构 P411 4 与寄存器输出结构类似 不同处是在与 或逻辑阵列的输出端增加了异或门 便于求反和保持 8 3 2PLD输出结构 P412 5 在异或输出结构基础上 增加一组反馈逻辑电路 应用举例 P421例8 3 1 8 3 2请同学们自学 8 4通用阵列逻辑 GAL 特点 1 与矩阵编程 或矩阵固 2 E2CMOS工艺 可电擦写反复编程 3 OLMC 输出逻辑宏单元 输出结构 对其编程可有不同模式的组合 设计灵活 基本结构 8个输入缓冲器 8个反馈 输入缓冲器 提供32个输入变量 8 8个与门形成与阵列的64个乘积项 产生64 32 2048个可编程单元 8个OLMC 12 14和17 19的反馈线通过邻近OLMC将输出信息反馈至与阵列 实现时序逻辑编程 CLK输入缓冲器和共用使能OE输入缓冲器 G16V8器件有8个固定输入端 2 9 及最多8个可配置输入端 12 19 输出端配置为8个 12 19 8 4 1GAL电路结构 8 4 2输出逻辑宏单元 OLMC G2 G1 P421 8 4 2输出逻辑宏单元 OLMC 8输入或门及异或门 构成输出极性可控制的与或函数 D触发器 对或输出实现寄存 以便构成时序电路 四个多路选择器 对其进行编程可使OLMC处于不同的功能组态 乘积项PTMUX 2选1 控制第一乘积项是否作为或门的一个输入 输入 G1门出1 不输入 G1门出0 三态TSMUX 4选1 控制三态输出缓冲器的工作状态 1 门开通 反馈FMUX 4选1 决定反馈信号的来源 来自地 即无反馈 来自邻级输出 见电路 AC0 AC1 n n为引脚号 XOR n 为结构控制字中的一位数据 使OLMC有5种工作模式 输出OMUX 2选1 选择输出信号的类型 组合输出还是时序输出 OLMC 输出逻辑宏单元 GAL中有一个由E2CMOS单元组成的64行 位数可不同 熔丝阵列 与阵列 0 31行 对应32个输入变量 每行64位即32 64个用户单元 结构控制字 第60行 共82位 由它控制OLMC的模式及极性 如图示 其中SYN为时序控制位 1 组合 0 时序 各乘积项位 1 编程 0 不编程 以上阵列的编程由开发软件根据对用户输入文件进行编译后的结果自动完成 不必用户操心 加密单元 第61行 一位 电子标签和整体擦除位 OLMC 输出逻辑宏单元 OLMC的五种组态 专用输入组态 AC1 n 1 AC0 0 SYN 1 此时 TX 0 三态门关断 输出功能被禁止 本单元作为输入端提供给相邻的OLMC 本级输入来自另一相邻OLMC 专用输出组态 AC1 n 0 AC0 0 SYN 1 TX 1 OX 0 使异或门输出直接从三态门输出 FX 0 使反馈信号被阻断 输入功能被禁止 复合输入 输出 I O 组态 AC1 n 1 AC0 1 SYN 1 TX 第一乘积项 反馈由本级来 由第一乘积项决定该端口状态 以上三种组态均为组合逻辑 寄存器输出组态 AC1 n 0 AC0 1 SYN 0 TX OE 使能时由D的Q端得到输出 同时FX 构成时序输出 寄存器复合 I O 组态 AC1 n 0 AC0 1 SYN 0 当有其他OLMC为寄存器输出组态时 该OLMC的复合输入 输出 I O 组态 此时 OE为全局使能 CLK为全局时钟 而非输入 以上两种组态均为时序逻辑 OLMC的三种模式 以上五种组态可归属于三种模式 简单模式S 第1 2种组态 复合模式C 第3种组态 寄存器模式R 第4 5种组态 OLMC 输出逻辑宏单元 GAL的缺点 只能用于同步时序逻辑电路 OLMC的利用率不高 或门的输入乘级项固定 8个 规模较小 集成度不高 加密功能易被解除 CPLD的基本结构 CPLD即复杂PLD 它将SPLD扩展到更高层次的集成度范畴 从而进一步改善系统性能 CPLD具有更多的输入信号 乘积项和宏单元 门数已高达25 000个 CPLD内含多个逻辑块 每块即相当于一片SPLD 并通过可编程内连线实现联系 CPLD结构规划更合理 从而有效节约硅片面积 降低成本 CPLD及其逻辑块的结构框图如下图示 CPLD的开发流程 设计者 EDA工具 2 基于CPLD的数字系统设计 传统的数字系统设计是采用自下而上的设计方法 利用真值表 布尔方程和状态图等进行的电路级设计 已经不适于完成当今大规模集成数字系统设计 基于强大的EDA技术的支持 以VHDL为主要设计手段 充分开发利用CPLD芯片丰富而灵活的逻辑资源 成为当前数字系统设计的主要发展方向 大量采用ASIC芯片的现代的数字系统设计是采用自顶向下的设计方法 利用EDA工具和VHDL设计技术完成的系统级设计 受控模块 存储部件 控制部件 输入输出接口 从整体上来看 自顶向下的设计方法就是把一个复杂的系统划分为由一个小规模的时序控制机和一些受控模块构成的子系统分别进行设计描述 进而由EDA软件平台自动完成各子系统的逻辑综合 逻辑适配与优化 门级的布局布线 映射下载等工作 直至系统的硬件实现 现代数字系统设计流程 自上而下的分层设计方法每层有描述 划分 综合 验证四种类型的工作描述由设计者完成 用图形输入或VHDL划分 综合 验证直到ASIC硬件实现都由EDA软件平台自动完成 概念设计 系统设计和描述 系统划分 系统验证 功能验证 门级验证 电路级逻辑描述 子系统设计描述 综合 系统芯片 IC ASICCPLD FPGA 输出门级网表 CPLD FPGA开发流程 设计要求 设计输入 设计综合与编译 功能仿真 布局 布线适配 时序仿真 器件编程下载 硬件测试 系统产品 设计修改 针对目标器件为CPLD FPGA的开发设计流程如图1所示 其中设计者的工作仅限于利用软件工具完成对系统硬件功能的描述与输入 为EDA开发软件选定具体的目标芯片型号和设置 而在设计中至为关键和繁杂的逻辑综合与适配 器件仿真与下载等过程均是交由EDA开发软件自动优化完成的 可见 在强大而丰富的EDA工具支持下 设计者在实验室就能够自己设计出合适的ASIC芯片 并立即投入实际应用之中 使ASIC的设计周期大大缩短 降低了产品的前期投资风险 CPLD设计实例及流程 设计课题 CPLD构成的交通灯控制器设计输入 电原理图或VHDL设计设计编译与综合设计仿真器件编程 EDA工具 MAX PLUSII设计环境 Toolbarprovidesshortcutsforcommonlyusedfunctions Statusbarprovidesabriefdescriptionofselectedmenucommandandtoolbarbutton MAX PLUSIImenugivesyouaccesstoallMAX PLUSIIfunctions Helpmenugivesyouaccess