第二章可编程逻辑器件

1、“eda应用技术应用技术”课程课程清华大学出版社清华大学出版社焦素敏焦素敏 主编主编n第第1章章 eda概述概述l第第2章章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件l第第3章章 eda设计流程与开发工具设计流程与开发工具l 第第4章章 vhdl硬件描述语言硬件描述语言“eda应用技术应用技术”目录目录返回返回第第5 5章章 vhdlvhdl程序设计基础程序设计基础第二章 可编程逻辑器件 2.4 在系统可编程逻辑器件 2.1 概述 2.2 简单pld2.3 cpld和fpga返回2.1 概述n2.1.1 可编程逻辑器件的发展历程n2.1.2 可编程逻辑器件的分类n2.1.3 pld的基本结构返回2.1 可

2、编程逻辑器件可编程逻辑器件pld概述概述 可编程逻辑器件（programmable logic device, 简称pld）是一种由用户根据自己要求来构造逻辑功能的数字集成电路。和具有固定逻辑功能的74系列数字电路不同，pld本身没有确定的逻辑功能，就如同一张白纸或是一堆积木，要由用户利用计算机辅助设计，即用原理图或硬件描述语言（hdl）的方法来表示设计思想，经过编译和仿真，生成相应的目标文件，再由编程器或下载电缆将设计文件配置到目标器件中，这时可编程器件（pld）就可以作为满足用户要求的专用集成电路使用了，同时还可以利用pld的可重复编程能力，随时修改器件的逻辑功能，而无须改变硬件电路。 2

3、.1.1 pld的发展历程prom是始于是始于1970年出现第一块可编程逻辑器年出现第一块可编程逻辑器件件pld（programmable logic device），），随后可编程逻辑器件又陆续出现了随后可编程逻辑器件又陆续出现了pla、pal、gal、epld及现阶段的及现阶段的cpld和和fpga等。可等。可编程逻辑器件的出现，不仅改变了传统的数字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，而且促进了系统设计方法，而且促进了eda技术的高速发技术的高速发展。展。eda技术是以计算机为工具，代替人去完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、布局成数字系

4、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。利用机软件自行完成处理，得到设计结果。利用eda工具进行设计，可以极大地提高设计的效工具进行设计，可以极大地提高设计的效率。率。 常见的pld有prom、pal、gal、pla、fpga等。目前对pld的分类没有统一的标准，一种器件往往具有多种特征，并不能严格的分类。本节介绍几种常用的分类方法。1. 按集成密度分类：prom（可编程只读存储器）包括eprom、eerom。

5、pla（可编程逻辑阵列）pal（可编程阵列逻辑）gal（通用阵列逻辑）2.1.2 可编程逻辑器件（pld）的分类2.1.1 可编程逻辑器件的分类可编程逻辑器件的分类 可编程逻辑器件的密度分类可编程逻辑器件的密度分类低密度可编程逻辑低密度可编程逻辑器件器件( (ldpld) )高密度可编程逻辑高密度可编程逻辑器件器件( (hdpld) )可编程逻辑器件可编程逻辑器件(pld)promplapalgalepldcpldfpga可编程逻辑器件从集成密度上可分为低密度可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编程逻辑器件ldpld和高密度可编程逻辑器件和高密度可编程逻辑器件hdpld两类。

6、两类。ldpld 通常是指早期发展起来的、集成密度通常是指早期发展起来的、集成密度小于小于700门门/片左右的片左右的pld如如rom、pla、pal和和gal等等。hdpld包括可擦除可编程逻辑器件包括可擦除可编程逻辑器件epld（erasable programmable logic device）、复杂）、复杂可编程逻辑器件可编程逻辑器件cpld（complex pld）和）和fpga三三种，其集成密度大于种，其集成密度大于700门门/片。如片。如altera公司的公司的epm9560，其密度为，其密度为12000门门/片，片，lattice公司的公司的plsi/isplsi3320为为

7、14000门门/片等。目前集成度最高片等。目前集成度最高的的hdpld可达可达25万门万门/片以上。片以上。 2. 按编程方式分类按编程方式分类可编程逻辑器件的编程方式分为两类：一次性可编程逻辑器件的编程方式分为两类：一次性编程编程otp（one time programmable）器件和可多）器件和可多次编程次编程mtp（many time programmable）器件。）器件。otp器件是属于一次性使用的器件，只允许用器件是属于一次性使用的器件，只允许用户对器件编程一次，编程后不能修改，其优点是可户对器件编程一次，编程后不能修改，其优点是可靠性与集成度高，抗干扰性强。靠性与集成度高，抗干

8、扰性强。mtp器件是属于可多次重复使用的器件，允许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。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：程逻辑器件通常又可以分为四类： 采用一次性编程的熔丝（采用一次性编程的熔丝（fuse）或反熔丝）或反熔丝（antifuse）元件的可编程器件，如）元件的可编程器件，如prom、pal和和epld等。等。 采用紫外线擦除、电可编程元件，即采用采用紫

9、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。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 是采 用 电 擦 除 、 电 可 编 程 元 件 。 其 中 一 种 是e2prom，另一种是采用快闪存储器单元（，另一种是采用快闪存储器单元（flash memory）结构的可多次编程器件。）结构的可多次编程器件。 基于静态存储器基于静态存储器sram结构的可多次编程器件。结构的可多次编程器件。目前多数目前多数fpga是基于是基于sram结构的可编程器件。结构的可编程器件。3. 按结构特点分类按结构特点分类 pldpl

10、d按结构特点分为阵列型按结构特点分为阵列型pld和现场可编程和现场可编程门阵列型门阵列型fpga两大类。两大类。阵列型阵列型pld的基本结构由与阵列和或阵列组成。的基本结构由与阵列和或阵列组成。简单简单pldpld（如（如promprom、plapla、palpal和和galgal等）、等）、epldepld和和cpldcpld都属于阵列型都属于阵列型pldpld。 现场可编程门阵列型现场可编程门阵列型fpga具有门阵列的结构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，称为单元型成阵列组成，称为单元型pld。 4.按颗粒度

11、分类n小颗粒度 简单的pldn中等颗粒度 fpgan大颗粒度 cpld pld逻辑模块与元器件的颗粒度有关,而元器件的颗粒度又与模块之间需要完成的布线工作量有关输入电路与阵列或阵列输出电路输入项乘积项或项输入输出 pld的基本结构框图 pld的基本结构框图2.1.3 pld的基本结构输 入输 出 基本pld器件的原理结构图返回2.2 简单pldn2.2.1 paln2.2.2 galn2.2.3 cpld和fpga返回2.2.1 pal2 pld电路表示法电路表示法n pld电路表示法与传统表示法有所不同，主要因为pld的阵列规模十分庞大，如用传统表示法极不方便。在x下图中给出了pld的三种连

12、接方式。连线交叉处有实点的表示固定连接；有符号“”的表示编程连接；连线单纯交叉表示不连接。 下图中是一个三输入与门的两种表示法，即传统表示法和pld电路表示法。在输入项很多的情况下，pld表示法显得简洁方便。111&111213010203与阵列(可编程)或阵列(固定) pal(gal)的阵列结构 pal(gal)的阵列结构或阵列(固定)与阵列(可编程)010203111213 pal(gal) 的阵列结构返回与或阵列结构图与或阵列结构图 1 10 02 23 34 45 56 67 78 89 91010cpld中与、或门的表示方法中与、或门的表示方法a ab b c c d dp(乘积项)

13、p(乘积项)a ac cd dp=ap=ab bc ca ab b c c d df（或项）f（或项）f=a+b+df=a+b+da ab bd d2.3 cpld和fpga复杂可编程逻辑器件cpld （complex programmable logical devices)n一个cpld含有多个逻辑元件块（pld）n每个逻辑块间的接线是可编程的n运行速度比fpga快n功耗较大返回cpld结构方框图逻辑方块逻辑方块逻辑方块逻辑方块逻辑方块逻辑方块逻辑方块逻辑方块可规划之互接线i/oi/ofpga现场可编程门阵列fpga （field programmable gate array)n 逻辑功

14、能块粒度小n 类似门阵列的连线通道和逻辑功能块结 构n 逻辑元件使用率高n 寄存器较多 fpga的基本结构图的基本结构图c cl lb bi ir ri io ob bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri i

15、r ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir r1可编程逻辑块（可编程逻辑块（clb） clb主要由逻辑函数发生器、触发器、数据主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。选择器等电路组成。2输入输入/输出模块（输出模块（iob） iob主要由输入触发器、输入缓冲器和主要由输入触发器、输入缓冲器和输出触发输出触发/锁存器、输出缓冲器组成，每个锁存器、输出缓冲器组成，每个iob控制一个引脚，它们可被配置为输入、输出或控制一个引脚，它们可被配置为输入、输出或双向双向i/o功能。功能。 3可编程互连资源（可编程互连资源（pir） pir由许多金属线段

16、构成，这些金属线由许多金属线段构成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。实现的连接。实现fpga内部的内部的clb和和clb之间、之间、clb和和iob之间的连接。之间的连接。 xc4000系列采用分段互连资源结构，系列采用分段互连资源结构，按相对长度可分为单长线、双长线和长线等三种按相对长度可分为单长线、双长线和长线等三种(p19)。cpld与fpga之间有何区别npld是programmable logic device（可编程逻辑器件）的缩写，是一种集成电路。电子工程师可以使用pld来实现组合逻辑以及时序逻辑。pld市场有两个主要部分：cpld和fpga，分别代表两种截然不同的芯片结构。 fpga是field programmable gate array（现场可编程门阵列）的缩写，代表的是一种可编程逻辑器件，它可以在制造完成后由用户根据自己的需要定义其逻辑功能。fpga包含了一个逻辑单元（可以是门，也可以是查找表ram）的阵列、触发器以及可编程的互连线。除此之外，现在的一些大规模fpga还包含了片内ram、嵌入式cpu、高速收发器等资源。fpga 的显著特