《FPGA原理及应用》PPT课件

FPGA原理及应用,孟庆斌nkbhec2010年9月,IC:是半导体元件产品的统称,包括:集成电路、三极管、特殊电子元件。,ASIC：专用IC。是指为特定的用户、某种专门或特别的用途而设计的芯片组。,SOC:片上系统。随IC设计与工艺的提高，使原先由许多IC组成的电子系统可集成到一个芯片上，构成SOC。,名词解释,EDA：电子设计自动化。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。,SOPC:可编程的片上系统。是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SOC解决方案。也可认为是基于FPGA解决方案的SOC。,FPGA原理及应用课程介绍,什么是FPGA？FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgramableGateArray），是一种主流的大规模可编程逻辑器件。PLD即可编程逻辑器件（ProgramableLogicDevice），是一种能够用编程的方法设计内部硬件电路结构的集成电子器件。FPGA有什么应用？通信系统：DDS信号产生、信源编解码、信道编解码、数字调制解调、通信协议解析；信号处理：快速傅里叶变换、数字滤波、JPEG编解码、MPEG编解码、高速图像采集工业控制和测量：电机（PWM）控制、开关电源、数字频率计、误码率测试仪、相位测试仪；,FPGA原理及应用课程介绍,专用集成电路原型开发：ARM、DSP、CPU、MCU协处理器接口与外设：SDRAM控制器、PCI接口控制、I2C总线控制、USB控制、LCD连线交叉处有符号“”的,表示编程连接;连线交叉处无任何符号的,表示不连接或是擦除单元。,图3：PLD连接方式的表示法,可编程逻辑器件(PLD)的表示方法,图4是可编程“与”阵列和“或”阵列中常用到的与门、或门、输入缓冲器、三态输出缓冲器及非门的表示方法。图4（a）表示一个3输入的与门,其中3条竖线A、B、C均为输入项,输入到与门的一条横线称为乘积项线,输入线与乘积项线的交叉点和“与”阵列中的交叉点相对应,这些交叉点都是编程点。,图4：常用门电路在PLD中的表示法(a)与门；(b)或门；(c)输入缓冲器；(d)三态输出缓冲器；(e)非门,可编程逻辑器件(PLD)的表示方法,由图可见,输入A与乘积项线是固定连接,输入B与乘积项线不相连,输入C与乘积项线是编程连接,所以该与门的乘积项输出是:P=AC。同理,图5（b）表示一个3输入的或门,它的输出是Y=P1+P2。图4（c）表示输入缓冲器,它有两个互补输出,一个是A,另一个是。PLD的输入往往要驱动若干个乘积项,也就是说,一个输入量的输出同时要接到几个晶体管的栅极（或基极）上,为了增加其驱动能力,就必须通过一缓冲器。不但如此,在与阵列中往往还要用到输入变量的补项,这一功能也同时由驱动电路来完成,因此,在PLD中,每一个输入变量均通过一个具有互补输出的缓冲器。,可编程逻辑器件(PLD)的表示方法,当I/O端作为输出端时,常常用到具有一定驱动能力的三态控制输出电路。在PLD的逻辑电路中的三态控制输出电路有如图4（d）表示的两种形式,一种是控制信号为高电平且反相输出;另一种是控制信号为低电平且反相输出。如果当所有输入的原码和反码在乘积项处都打“”,即表示所有的连接点都是编程连接,如图5(a)所示,那么就有,此时可以简化为图5(b)的表示方式。,图5：PLD的默认表示方法,可编程逻辑器件(PLD)的表示方法,图6是一个简单的组合逻辑在SSI中的逻辑图和在PLD中的逻辑图实例。图6(a)所示的组合逻辑电路,它的PLD表示法如图6(b)所示。,图6：组合逻辑在SSI中和在PLD中的逻辑图,可编程逻辑器件(PLD)的基本结构,1.可编程只读存储器可编程只读存储器（ProgrammableReadOnlyMemory，简称PROM）是最早的PLD器件,它出现在20世纪70年代初。它包含一个固定的“与”阵列和一个可编程的“或”阵列,其基本结构图如图7所示。PROM一般用来存储计算机程序和数据,它的输入是计算机存储器地址,输出是存储单元的内容。由图可见,它的“与”阵列是一个“全译码阵列”,即对某一组特定的输入Ii(i=0,1,2)只能产生一个惟一的乘积项。因为是全译码,当输入变量为n个时,阵列的规模为2n,所以PROM的规模一般很大。,图7：基本PROM结构,可编程逻辑器件(PLD)的基本结构,2.可编程逻辑阵列虽然用户能对PROM所存储的内容进行编程,但PROM还存在某些不足,如:PROM巨大阵列的开关时间限制了PROM的速度;PROM的全译码阵列中的所有输入组合在大多数逻辑功能中并不使用。可编程逻辑阵列（ProgrammableLogicArray,简称PLA）,也称现场可编程逻辑阵列（FPLA）的出现,弥补了PROM这些不足。它的基本结构为“与”阵列和“或”阵列,且都是可编程的,如图8所示。设计者可以控制全部的输入/输出,这为逻辑功能的处理提供了更有效的方法。然而,这种结构在实现比较简单的逻辑功能时还是比较浪费的,且PLA的价格昂贵,相应的编程工具也比较贵。,可编程逻辑器件(PLD)的基本结构,3.可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑（ProgrammableArrayLogic,简称PAL）,它既具有PLA的灵活性,又具有PROM易于编程的特点,其基本结构包含一个可编程的“与”阵列和一个固定的“或”阵列,如图9所示。PAL器件“与”阵列的可编程特性使输入项增多,而“或”阵列的固定又使器件简化,所以这种器件得到了广泛应用。,图8：基本PLA结构,图9：基本PAL结构,可编程逻辑器件(PLD)的基本结构,4.通用阵列逻辑通用阵列逻辑（GeneralArrayLogic,简称GAL）,在20世纪80年代初期问世,一般认为它是第二代PLD器件。它具有可擦除、可重复编程和可加密等特点。GAL器件的基本结构如图10所示。它与PAL器件相比,在结构上的显著特点是输出采用了宏单元（OLMC）。也就是说，PAL器件的可编程“与”阵列是送到一个固定的“或”阵列上输出的,而GAL器件的可编程“与”阵列则是送到OLMC上输出的。通过对OLMC单元的编程,器件能满足更多的逻辑电路要求,从而使它比PAL器件具有更多的功能,设计也更为灵活。,图10：基本GAL结构,可编程逻辑器件(PLD)的基本结构,5.现场可编程门阵列现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray,简称FPGA）也称可编程门阵列（ProgrammableGateArray,简称PGA）,是超大规模集成电路（VLSI）技术发展的产物,它弥补了早期可编程逻辑器件利用率随器件规模的扩大而下降的不足。FPGA器件集成度高,引脚数多,使用灵活。FPGA由布线分隔的可编程逻辑块（或宏单元）（ConfigurableLogicBlock,简称CLB）、可编程输入/输出块（Input/OutputBlock，简称IOB）和布线通道中可编程内部连线（ProgrammableInterconnect,简称PI）构成,其基本结构如图11所示。PLD与FPGA之间的主要差别是PLD通过修改具有固定内部连线的电路的逻辑功能来进行编程,而FPGA可以通过修改CLB或IOB的功能来编程,也可以通过修改连接CLB的一根或多根内部连线的布线来编程。对于快速周转的样机,这些特性使得FPGA成为首选器件,而且FPGA比PLD更适合于实现多级的逻辑功能。,图11：FPGA基本结构,可编程逻辑器件(PLD)的基本结构,6.复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件（ComplexProgram