第十章可编程逻辑器件

1、第,10,章,可编程逻辑器件,10.1,可编程逻辑器件的基本原理,PROM,是始于,1970,年出现第一块可编程逻辑器件,PLD,Programmable,Logic,Device,，随后可编程逻辑器件又,陆续出现了,PLA,PAL,GAL,EPLD,及现阶段的,CPLD,和,FPGA,等。可编程逻辑器件的出现，不仅改变了传统的数字系,统设计方法，而且促进了,EDA,技术的高速发展,EDA,技术是以,计算机为工具，代替人去完成数字系统设计中各种复杂的逻辑,综合、布局布线和设计仿真等工作。设计者只需用硬件描述语,言完成对系统功能的描述，就可以由计算机软件自行完成处理,得到设计结果。利用,EDA,

2、工具进行设计，可以极大地提高设计,的效率,10.1.1,可编程逻辑器件的分类,可编程逻辑器件,PLD,低密度可编程逻辑,器件,LDPLD,高密度可编程逻辑,器件,HDPLD,PROM,PLA,PAL,GAL,EPLD,CPLD,FPGA,可编程逻辑器件的密度分类,1,按集成密度分类,可编程逻辑器件从集成密度上可分为低密度可编程逻辑,器件,LDPLD,和高密度可编程逻辑器件,HDPLD,两类,LDPLD,通常是指早期发展起来的、集成密度小于,700,门,片左右的,PLD,如,ROM,PLA,PAL,和,GAL,等,HDPLD,包括可擦除可编程逻辑器件,EPLD,Erasable,Programm

3、able Logic Device,复杂可编程逻辑器件,CPLD,Complex PLD,和,FPGA,三种，其集成密度大于,700,门,片。如,Altera,公司的,EPM9560,其密度为,12000,门,片,Lattice,公司的,pLSI/ispLSI3320,为,14000,门,片等。目前集成度,最高的,HDPLD,可达,25,万门,片以上,2,按编程方式分类,可编程逻辑器件的编程方式分为两类：一次性编程,OTP,One Time Programmable,器件和可多次编程,MTP,Many,Time Programmable,器件,OTP,器件是属于一次性使用的器件，只允许用户对器

4、,件编程一次，编程后不能修改，其优点是可靠性与集成度高,抗干扰性强,MTP,器件是属于可多次重复使用的器件，允许用户对,其进行多次编程、修改或设计，特别适合于系统样机的研制,和初级设计者的使用,根据各种可编程元件的结构及编程方式，可编程逻辑器,件通常又可以分为四类,采用一次性编程的熔丝,Fuse,或反熔丝,Antifuse,元,件的可编程器件，如,PROM,PAL,和,EPLD,等,采,用,紫,外,线,擦,除,电,可,编,程,元,件,即,采,用,EPROM,UVCMOS,工艺结构的可多次编程器件,采用电擦除、电可编程元件。其中一种是,E,2,PROM,另一,种是采用快闪存储器单元,Flash,

5、Memory,结构的可多次编,程器件,基于静态存储器,SRAM,结构的可多次编程器件。目前多数,FPGA,是基于,SRAM,结构的可编程器件,3,按结构特点分类,PLD,按结构特点分为阵列型,PLD,和现场可编程门阵列型,FPGA,两大类,阵列型,PLD,的基本结构由与阵列和或阵列组成。简单,PLD,如,PROM,PLA,PAL,和,GAL,等）,EPLD,和,CPLD,都属于阵列,型,PLD,现场可编程门阵列型,FPGA,具有门阵列的结构形式，它,有许多可编程单元（或称逻辑功能块）排成阵列组成，称为,单元型,PLD,10.2,可编程逻辑器件的设计技术,10.2.1,概,述,在,PLD,没有出

6、现之前，数字系统的传统设计往往采用,积木,式的方法进行，实质上是对电路板进行设计，通,过标准集成电路器件搭建成电路板来实现系统功能，即先,由器件搭成电路板，再由电路板搭成系统。数字系统的,积木块”就是具有固定功能的标准集成电路器件，如,TTL,的,74/54,系列,CMOS,的,4000/4500,系列芯片和一些固,定功能的大规模集成电路等，用户只能根据需要选择合适,的集成电路器件，并按照此种器件推荐的电路搭成系统并,调试成功。设计中，设计者没有灵活性可言，搭成的系统,需要的芯片种类多且数目大,PLD,的出现，给数字系统的传统设计法带来新的变革,采用,PLD,进行的数字系统设计，是基于芯片的设

7、计或称之为,自底向上”,Bottom-Up,的设计，它跟传统的积木式,设计有本质的不同。它可以直接通过设计,PLD,芯片来实现数,字系统功能，将原来由电路板设计完成的大部分工作放在,PLD,芯片的设计中进行。这种新的设计方法能够由设计者根,据实际情况和要求定义器件的内部逻辑关系和管脚，这样可,通过芯片设计实现多种数字系统功能，同时由于管脚定义的,灵活性，不但大大减轻了系统设计的工作量和难度，提高了,工作效率，而且还可以减少芯片数量，缩小系统体积，降低,能源消耗，提高系统的稳定性和可靠性,IEEE,标准的,HDL,如,VHDL,和,Verilog HDL,给,PLD,和数字系统的设计带来了更新的

8、设计方法和理念，产生了目,前最常用的并称之为“自顶向下”,Top-Down,的设计法,自顶向下的设计采用功能分割的方法从顶向下逐次将设计内,容进行分块和细化。在设计过程中采用层次化和模块化将使,系统设计变得简洁和方便，其基本设计思想如图,7.15,所示,层次化设计是分层次、分模块地进行设计描述。描述器件总,功能的模块放在最上层，称为顶层设计；描述器件某一部分,功能的模块放在下层，称为底层设计；底层模块还可以再向,下分层，直至最后完成硬件电子系统电路的整体设计,系统设计,模块,A,模,块,1,模,块,2,模块,B,模块,C,模,块,3,模,块,1,模,块,2,模,块,3,模,块,3,模,块,1,

9、模,块,2,A,A,自顶向下”设计法示意图,A,B,B,B,C,C,C,10.2.2,可编程逻辑器件的设计流程,可编程逻辑器件的设计流程包括设计准备,设计输入、设计处理和器件编程四个步骤以及相应,的功能仿真、时序仿真和器件测试三个设计验证过,程,10.2.3,在系统可编程技术,在系统可编程,In-System Programmable,简称,ISP,技术是,20,世纪,80,年代末,Lattice,公司首先,提出的一种先进的编程技术。在系统可编程是指对,器件、电路板或整个电子系统的逻辑功能可随时进,行修改或重构的能力。支持,ISP,技术的可编程逻辑器,件称为在系统可编程器件,ISP-PLD,，

10、例如,Lattice,公司生产的,ispLSI1000 ispLSI8000,系列器,件属于,ISP-PLD,10.2.4,边界扫描技术,边界扫描测试,BST,Boundary-Scan Testing,是针对器件密度及,I/O,口数增加，信号注入和测取难,度越来越大而提出的一种新的测试技术。它是由联,合测试活动组织,JTAG,提出来的，而后,IEEE,对此制,定了测试标准，称为,IEEE 1149.1,标准。边界扫描,测试技术主要解决芯片的测试问题,10.3,可编程逻辑器件的编程与配置,由于可编程逻辑器件具有在系统下载或重新配,置功能，因此在电路设计之前就可以把其焊接在印刷,电路板上，并通过

11、电缆与计算机连接。在设计过程中,以下载编程或配置方式来改变可编程逻辑器件的内部,逻辑关系，达到设计逻辑电路目的,目前常见的可编程逻辑器件的编程和配置工艺,2,包括基于电可擦存储单元的,E,PROM,或,Flash,技术的编程,工艺、基于,SRAM,查找表的编程单元的编程工艺和基于,反熔丝编程单元的编程工艺三种,10.3.1 CPLD,的,ISP,方式编程,ISP,方式是当系统上电并正常工作时，计算机就,可以通过,CPLD,器件拥有的,ISP,接口直接对其进行编程,器件被编程后立即进入正常工作状态,CPLD,的编程和,FPGA,的配置可以使用专用的编,程设备，也可以使用下载电缆。例如用,Alte

12、ra,公司的,ByteBlaster,MV,并行下载电缆，将,PC,机的并行打,印口与需要编程或配置的器件连接起来，在,MAX+plusII,工具软件的控制下，就可以对,Altera,公司,的多种,CPLD,和,FPGA,进行编程或配置,JTAG,接口本来是用作边界扫描测试,BST,的，把它用作编程接口则可以省去专用的编程接口,减少系统的引出线,采用,JATG,模式对,CPLD,编程下载的连线如图,7.22,所示。这种连线方式既可以对,CPLD,进行测试,也可以进行编程下载,VCC,1k,Altera,MAX,7000,系列,器件,TCK,TDO,1k,1,3,5,9,2,4,TMS,TDI,

13、10,1k,GND,CPLD,编程下载连线图,由于,ISP,器件具有串行编程方式，即菊花链结,构，其特点是各片共用一套,ISP,编程接口，每片的,SDI,输入端与前一片的,SDO,输出端相连，最前面一,片的,SDI,端和最后一片的,SDO,端与,ISP,编程口相连,构成一个类似移位寄存器的链形结构。因此采用,JTAG,模式可以对多个,CPLD,器件进行,ISP,在系统编,程，多,CPLD,芯片,ISP,编程下载的连线如下图所示,VCC,Altera,的,MAX7000,系列器件或其他,JTAG,器件,TDO,TDI,TDO,TDI,TDO,TDI,1k,1k,1,3,5,9,1k,2,4,TCK,TMS,TCK,TMS,TCK,TMS,10,GND,多,CPLD,编程下载连线图,10.3.2,使用,PC,机的并口配置,FPGA,基于,SRAM LUT,结构的,FPGA,不属于,ISP,器件，它,是以在线可重配置方式,ICR,In Circuit,Reconfigurability,改变芯片内部的结构来进行硬件验,证。利用,FPGA,进行电路设计时，可以通过下载电缆与,PC,机的并口连接，将设计文件编程下载到,FPGA,中,使用,