《FPGA的结构》PPT课件

1,第2章可编程逻辑器件基础,2,FPGA（FieldProgrammableGateArray）CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice）,3,可编程逻辑器件(PLD)发展历程,可编程只读存储器PROM（ProgrammableROM）,可编程逻辑阵列PLA（ProgrammableLogicArray）,可编程阵列逻辑PAL（ProgrammableArrayLogic）通用阵列逻辑GAL（GenericArrayLogic）,现场可编程门阵列（FPGA）,复杂可编程逻辑器件（CPLD）,基于与或阵列,基于查找表,4,与门：国标符号,准备知识：基本逻辑门的符号表示法,与门：美国符号,或门：国标符号,或门：美国符号,5,缓冲器,断开,硬线连接,可编程单元,准备知识：缓冲器及连线,6,准备知识：与或逻辑的阵列表示法,乘积项：与运算的输出项,或项：或运算的输出项,7,与或阵列,8,PLD器件主体是与或阵列，主要用来实现组合逻辑。,与或阵列,输入电路,任何组合逻辑函数都可以化为“与或”表达式，即任何组合电路可以用与门或门二级电路实现。同样任何时序电路都可以由组合电路加上存储原件（触发器、RAM等）构成。,输出电路,9,1.可编程只读存储器（PROM）,与阵列固定；或阵列可编程。熔丝烧断后不能恢复，只能编程一次，不能重复编程和修改。无论是否需要都会输出全部最小项，利用率低。,10,2.可编程逻辑阵列PLA,与或阵列均可编程。需要得到逻辑函数的与或最简表达式，涉及的软件算法比较复杂。两个阵列均可编程使编程后器件运行速度下降。,11,3.1可编程阵列逻辑PAL：,与阵列可编程，可以获得较多的输入项；或阵列固定使器件结构简单。,12,3.2通用阵列逻辑GAL,GAL是在PAL的基础上发展起来的，和PAL一样与阵列可编程，或阵列固定。不同的是GAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元OLMC（OutputLogicMacroCell），其内含有D触发器，从而可以实现时序逻辑。通过编程可以将OLMC设置成不同的输出方式，提高了设计的灵活性。,13,4.CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice）,CPLD是从PALGAL基础上发展起来的阵列型高密度PLD。大多数CPLD器件中至少包含三种结构：可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元可编程内部连线。,14,CPLD基本原理图,输入输出控制模块：负责电气特性控制,宏单元是器件的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能,负责信号传递，连接所有的宏单元,15,CPLD使用上的特点,逻辑单元主体为与或阵列，一般采用EEPROM和FLASH工艺，编程后，其结构即确定下来，掉电后不会消失。由于可以通过与或阵列将大型组合逻辑函数在一级逻辑中实现，因此能够提供较高的组合逻辑处理速度，适于进行大型组合逻辑的处理。内部互连结构由固定长度的连线资源组成并且易于确定时序参数，便于进行时序分析工作。芯片集成度相对较低，寄存器资源相对较少，不适于大量使用寄存器的系统中。,16,17,FPGA,以上PLD逻辑单元主体为与或阵列，而FPGA逻辑单元主体为查找表(LUT:Look-UpTable)。例如：用查找表实现四输入与门。,18,当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并将结果写入RAM，这样每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容输出即可。,19,练习：用4输入查找表实现a(b+c)+d,20,练习：用4输入查找表实现a(b+c)+d,21,22,23,FPGA典型结构,24,FPGA使用上的特点,逻辑单元主体为查找表，并且该查找表使用的RAM为SRAM（静态随机访问存储器）类型。SRAM掉电后数据会丢失，所以一旦掉电，FPGA的结构即会丢失，因此每次上电时都要重新对FPGA进行配置，这可以使用掉电时不会丢失数据的专门的配置芯片进行。相对于CPLD器件，FPGA较小的逻辑单元可以将设计功能进行更细的划分，因而能够更充分地利用单元内的各种资源，但同时也加大了逻辑优化和时序分析的难度，增加了实现大型组合逻辑时的延时。,25,FPGA使用上的特点(续),FPGA器件虽然具有较小的基本逻辑单元，但集成度较高，寄存器资源较多，利用逻辑单元的级连可实现较长的数据通路，这样的结构适合于实现大量使用寄存器的流水线结构设计的系统中。,流水线结构,26,CPLD与FPGA区别,1、互连结构不同2、基本逻辑单元结构不同3、集成度不同4、速度不同5、应用范围不同CPLD逻辑能力强而寄存器少，适用于完成各种算法或组合逻辑；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多，适用于完成时序逻辑。,27,FPGA/CPLD产品概述,Lattice是最早推出PLD的公司。首先发明了ISP下载方式，是CPLD的应用领域有了更巨大的扩展。Xilinx在1985年首次推出FPGA.其CPLD以CoolRunner,XC9500系列为代表，FPGA以XC4000,Spartan,Virtex系列为代表Altera的产品按照其推出先后顺序一次为Classic系列，MAX系列，FLEX系列，APEX系列、ACEX系列、ACEX系列，系列，系列，MAX系列、Cyclone系列及Stratix，Stratix系列。,28,FPGA发展的趋势,更先进的制造工艺（40纳米），带来更高的集成度（千万门级别）、更多的可用IO引脚（上千个）、更低的工作电压（0.9V）、更低的功耗。内部普遍集成，针对不同应用领域的专用资源:时钟管理单元、乘法器、加法器、RAM、CPU、高速串行收发器等。不断支持新的接口电平标准：LVTTL、LVCMOS、3.0VPCI、3.0VPCI-X、SSTL、HSTL内部集成配置芯片及电路，上电即用。,29,扩展了解ASIC不同设计方法的特点,30,Altera器件的命名,31,Altera器件的命名,EP1525F780C5N,器件系列,器件类型,封装形式,工作温度,引脚数目,速度等级,可选后缀,工作温度C：民用品温度（0C