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可编程逻辑器件原理概述PLD/FPGA,本节内容,专用集成电路设计与可编程逻辑器件PLD/FPGA的概念PLD的应用及其优点可编程逻辑器件分类,专用集成电路设计与电子设计自动化定价:￥35.00元金桥价:￥33.25元节省:￥1.75元出版/发行时间:2004-07-01出版社:清华大学出版社丛书名:高等院校信息与通信工程系列教材作者:路而红ISBN:7-302-08605-2开本:1/16内容简介：本书由器件篇、工具篇、语言篇和应用篇组成。器件篇重点介绍常用和最新的可编程逻辑器件结构及其性能指标；工具篇重点介绍了PC环境下的电子设计自动化工具，如MAX+plusII、QuartusIITISE；语言篇介绍两种国际标准化硬件描述语言VHDL和VerilogHDL及应用实例；应用篇重点介绍数字系统设计中的新技术，如IP核重用技术、SoC设计技术等，另个还介绍了数学系统设计应用实例。本书从硬件到软件、从基础到应用对专用集成电路和电子设计自动化的相关技术做了较为全面的介绍。本书2003年被列为北京市高等教育精品教材立项项目，可作为高等学校电子信息类、计算机类专业的本科生教材，也可供从事电子设计的工程技术人员参考。,专用集成电路设计与可编程逻辑器件,一、模拟ASIC二、数字ASIC,专用集成电路ASIC是相对于通用集成电路而言的，它是专门为某一应用领域或某一专门用户需要而设计制造的集成电路器件，它可以将某些专用电路或电子系统设计在一个芯片上,构成单片集成系统。,ASIC按照设计方法的不同分为:,专用集成电路设计与可编程逻辑器件,数字ASIC按照版图结构和制造方法分为全定制和半定制两种实现方法。全定制法是一种基于晶体管级的手工设计版图的设计方法。半定制法是一种约束性设计方式。半定制法按逻辑实现的方式不同分为:门阵列法标准单元法可编程逻辑器件法,专用集成电路设计与可编程逻辑器件,门阵列法又称母片法，是较早使用的一种ASIC设计方法。用该法进行设计需预先制造好各种规模的硅阵列(称母片),其内部包括成行成列等间距排列的基本逻辑门、触发器等基本单元,芯片中留有一定的连线区。设计者根据所需要的功能设计电路,确定连线方式,将设计好电路的网表文件交给IC厂家。IC厂家再根据网表文件描述的电路连线关系，完成母片上电路元件的布局及单元间的连线，最后进行制版及流片。,标准单元法又称库单元法，它是以设计好的标准单元库为基础。用该设计方法设计必须预先建立完善的版图单元库，库中包括以物理版图级表达的各种电路元件和电路模块标准单元，这些单元的逻辑功能、电性能及几何设计规则等均已经过分析和验证。设计者设计时根据需要选择库中的标准单元构成电路，然后调用这些标准单元的版图，并利用CAD工具完成电路到版图一一对应的最终设计。,专用集成电路设计与可编程逻辑器件,可编程逻辑器件法是用可编程逻辑器件设计用户定制的数字电路系统。可编程逻辑器件是厂家作为一种通用型器件生产的半定制逻辑芯片，该芯片实质上是门阵列及标准单元设计技术的延伸和发展，与上述两种半定制电路不同，它是一种已完成了全部工艺制造、可直接从市场上购得的产品，设计者只要对它编程就可实现所需要的电路功能，故它又称为可编程ASIC。,用可编程逻辑器件法设计，设计者在实验室即可设计和制造出芯片，且可通过对器件反复编程进行电路更新，一旦发现错误，则可随时更改，而不必关心器件实现的具体工艺，这使得设计效率大大提高，设计周期大大缩短。但用可编程逻辑器件直接实现的ASIC在性能、速度和单位成本上劣于用全定制或标准单元法设计的ASIC。可以说可编程ASIC给现代电子系统的设计带来了极大的变革。,专用集成电路设计与可编程逻辑器件,PLD/FPGA的概念,PLD是可编程逻辑器件（ProgramableLogicDevice）的简称，FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgramableGateArray)的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或CPLD/FPGA。PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。,PLD/FPGA的概念,FPGA(现场可编程门阵列)与CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件，它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL,GAL等相比较，FPGACPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGACPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD市场。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。当然还有许多其它类型器件，如：Lattice，Vantis，Actel，Quicklogic，Lucent等。（99年Lattice收购了Vantis，成为第三大PLD供应商；同年Xilinx收购了Philips的PLD部门）,典型的PLD,尽管FPGA,CPLD和其它类型PLD的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们是由三大部分组成的，一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD器件的逻辑组成核心。输入输出块：连接逻辑块的互连资源。连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。,兰色：逻辑单元红色：连线资源黄色：输入输出块,基于CPLD/FPGA的EDA技术的工程设计流程,FPGACPLD芯片优点,对用户而言，CPLD与FPGA的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下，不加以区分。FPGACPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，它们除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点：随着VlSI(VeryLargeScaleIC，超大规模集成电路)工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGACPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。FPGACPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGACPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用FPGAPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGACPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGACPLD的优势。电路设计人员使用FPGACPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识，FPGACPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。,可编程逻辑器件的命名各异，其分类方法也有多种，常见的分类方法有以下几种:1.按器件集成度划分2.按器件结构类型划分3.按编程工艺划分4.根据其掉电后重新上电能否保持编程信息划分,可编程逻辑器件分类,PLD按集成度分类,一、按集成度分类集成度是PLD的一项重要指标。,PLD按集成度分类,GAL22V10是低密度PLD和高密度PLD的分水岭！,根据PLD器件单片集成度的高低，可将PLD分为低密度可编程逻辑器件和高密度可编程逻辑器件。常见的低密度可编程逻辑器件有PROM、PLA、PAL以及GAL器件等，通常简称为PLD器件；常见的高密度可编程逻辑器件有EPLD、CPLD以及FPGA等.,PLD按集成度分类,1.低密度可编程逻辑器件（LDPLD）（1）PROM（ProgrammableRead-OnlyMemory，可编程只读存储器）采用熔丝工艺编程，由固定的与阵列和可编程的或阵列组成；早期PROM只能写一次，不可擦除或重写；后来又出现可多次擦写PROM：EPROM（紫外线擦除可编程只读存储器）和E2PROM（电擦写可编程只读存储器）；特点：成本低，编程容易，适合于存储函数、数据和表格（2）FPLA（FieldProgrammableLogicArray，现场可编程逻辑阵列）在PROM基础上发展的一种PLDFPLA器件的特点：由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成；编程工艺采用熔丝开关，为一次性编程器件；占用较大硅片面积；逻辑函数输出以与-或表达式形式出现。,注：FPLA现已不常生产和使用！,图标准门电路构成的组合逻辑电路,与阵列、或阵列均固定！,PLD按集成度分类,图FPLA的基本熔丝结构,PLD按集成度分类,与阵列、或阵列均可编程,注：使用PLD编程器在现场可对与-或两级阵列各交叉点编程，就能得到不同的逻辑函数这就是现场可编程逻辑阵列的含义。,FPLA的映像逻辑图,PLD按集成度分类,PLD按集成度分类,（3）PAL（ProgrammableArrayLogic，可编程阵列逻辑）继FPLA之后，第一个具有典型实用意义的PLD分类：根据生产工艺的不同，分为TTL型、CMOS型及ECL型PAL。PAL器件的特点由可编程的与阵列和固定的或阵列组成；速度快、功耗低；除CMOS型PAL外，其他PAL器件均为一次性编程器件；输出及反馈电路有多种结构类型。,PLD按集成度分类,行线（输入变量）,列线（乘积项）,与阵列可编程，或阵列固定,PAL器件的基本结构,PLD按集成度分类,（4）GAL（GenericArrayLogic，通用逻辑阵列）工艺上采用EEPROM的浮栅技术，具有可擦除、可重新编程、数据可长期保存和可重新组合结构的特点。比PAL器件功能更强，结构更灵活，可取代同型号的PAL器件。应用于低成本、不要求保密、电路简单的场合。,GAL区别于PAL和其他SPLD的最主要一点是其输出结构采用灵活的、可编程的输出逻辑宏单元（OLMC，OutputLogicMacroCell）的形式。,PLD按集成度分类,(1)或门,(3)可编程多路开关,图GAL器件输出逻辑宏单元OLMC,返回,PLD按集成度分类,表SPLD器件的性能特点比较,PLD按集成度分类,PAL和GAL器件的缺点：低密度，逻辑阵列规模小，每个器件仅相当于几十个等效门；结构简单，只能实现规模较小的电路，不适于较复杂逻辑电路的设计；不能完全杜绝编程数据的非法抄袭。,SPLD器件的基本结构：与或阵列通过编程改变与阵列、或阵列的内部连接，实现不同的逻辑功能,PLD按集成度分类,2.高密度可编程逻辑器件（HDPLD）（1）CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件）采用CMOSEPROM、EEPROM、FlashMemory和SRAM等编程技术，构成了高密度、高速度和低功耗的PLD。大多由宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线组成。其集成度远远高于PAL和GAL，用来设计数字系统，体积小、功耗低、可靠性高。（2）FPGA（FieldProgrammableGatesArray，现场可编程门阵列器件）基本结构一般由3个可编程逻辑模块阵列组成：可配置逻辑模块（CLB，ConfigurableLogicBlocks）输入/输出模块（IOB，Input/OutputBlocks）互连资源（ICR，InterconnectCapitalResource）或叫可编程互连线PI（ProgrammableInterconnect）FPGA器件内还有一可配置的SRAM，加电后存储配置数据，该数据决定了器件的具体逻辑功能。,2.按器件结构类型划分目前常用的可编程逻辑器件都是从“与或阵列”和“门阵列”两类基本结构发展起来的，所以可编程逻辑器件从结构上可分为两大类：（1）乘积项结构器件。其基本结构为“与或阵列”的器件。简单PLD、EPLD和CPLD都属于此类器件。（2）查找表结构器件。其基本结构类似于“门阵列”的器件，它