第7章高密度可编程器件

1、第七章 高密度可编程器件第第7 7章章高密度可编程器件高密度可编程器件 可编程逻辑器件按器件的集成度划分可编程逻辑器件按器件的集成度划分, ,可分成可分成低密度低密度可编程逻辑器件可编程逻辑器件（LDPLDLDPLD）和）和高密度可编程器件高密度可编程器件(HDPLD(HDPLD） 低密度可编程逻辑器件：低密度可编程逻辑器件：PROMPROM、PLAPLA、PALPAL、GALGAL等等, , 通常称作通常称作PLDPLD器件（前一章已经介绍）器件（前一章已经介绍） 高密度可编程器件：高密度可编程器件：CPLDCPLD（复杂的（复杂的PLD)PLD) FPGAFPGA( (现场可编程门阵列现场

2、可编程门阵列 ) )第七章 高密度可编程器件CPLD:CPLD:集成规模大于集成规模大于10001000门门( (等效门）以上。等效门）以上。 其结构与其结构与GALGAL无本质区别，依然是由与阵列、或无本质区别，依然是由与阵列、或阵列、输入缓冲、输入缓冲电路、输出宏单元组成。阵列、输入缓冲、输入缓冲电路、输出宏单元组成。 其与阵列比其与阵列比GALGAL大得多大得多: :这不是靠简单的增大阵这不是靠简单的增大阵列的输入、输出口达到（这样会增大芯片成本并影响运行列的输入、输出口达到（这样会增大芯片成本并影响运行速度）。速度）。 在在CPLDCPLD中，通常将整个逻辑分为几个中，通常将整个逻辑分

3、为几个区区。每个。每个区相当于一个大的区相当于一个大的GALGAL或数个或数个GALGAL的组合，再用总线实现各的组合，再用总线实现各区之间的逻辑互连，如美国区之间的逻辑互连，如美国LatticeLattice公司的公司的ISPISP器件。器件。第七章 高密度可编程器件FPGAFPGA：现场可编程门阵列：现场可编程门阵列 现场可编程：用户在自己的工作室内编程现场可编程：用户在自己的工作室内编程 由于门阵列中的基本器件是门，用门来组成触发由于门阵列中的基本器件是门，用门来组成触发器进而构成电路和系统，其互连远比器进而构成电路和系统，其互连远比PLDPLD的与、或加触发的与、或加触发器的结构复杂器

4、的结构复杂, ,所以在构造所以在构造FPGAFPGA时改用了时改用了单元结构单元结构, ,即在即在阵列的各个节点上放的不再是一个单独的门，而是门、阵列的各个节点上放的不再是一个单独的门，而是门、触发器等做成的触发器等做成的逻辑单元逻辑单元，并在各个单元之间预先制作，并在各个单元之间预先制作了许多连线关系依靠连接点的合适配置，实现各逻辑单了许多连线关系依靠连接点的合适配置，实现各逻辑单元之间的互连。元之间的互连。 严格地说，严格地说，FPGAFPGA不是门阵列，而是逻辑单元阵列，不是门阵列，而是逻辑单元阵列，它与门阵列只是在阵列结构上相似而已。它与门阵列只是在阵列结构上相似而已。第七章 高密度可

5、编程器件7.1在系统可编程技术在系统可编程技术7.2ISP器件的结构与原理器件的结构与原理7.3在系统编程原理在系统编程原理7.4FPGA器件器件7.5基于可编程器件的电路设计实例分析基于可编程器件的电路设计实例分析第七章 高密度可编程器件7.1 .7.1 .在系统可编程技术在系统可编程技术 ISP ISP技术：是技术：是LatticeLattice半导体公司首先提出来的一种能设半导体公司首先提出来的一种能设计电路和系统的最新技术。计电路和系统的最新技术。 在系统编程：是指对器件、电路板、整个电子系统进行在系统编程：是指对器件、电路板、整个电子系统进行逻逻辑重构和修改功能的能力。逻逻辑重构和修

6、改功能的能力。 常规常规PLDPLD在使用中通常是在使用中通常是先编程后装配先编程后装配；而采用；而采用ISPISP技术技术的的PLDPLD，则是，则是先装配后编程先装配后编程，且成为产品之后还可反复编程。，且成为产品之后还可反复编程。 ISPISP技术为用户提供了传统的技术为用户提供了传统的PLDPLD技术无法达到的灵活性，技术无法达到的灵活性，带来了巨大的时间效益和经济效益，使硬件设计变得像软带来了巨大的时间效益和经济效益，使硬件设计变得像软软件一样易于修改。现从数字系统设计和数字系统生产两软件一样易于修改。现从数字系统设计和数字系统生产两方面叙述其特点。方面叙述其特点。第七章 高密度可编

7、程器件第七章 高密度可编程器件7.27.2ISPLSIISPLSI器件的结构与原理器件的结构与原理 Lattice Lattice公司的公司的CPLDCPLD产品，有产品，有ispLSIispLSI、ispMACHispMACH和和GALGAL等等多种系列和型号，目前市场上以多种系列和型号，目前市场上以ispMACH 4000V/B/CispMACH 4000V/B/C系列器件系列器件为主要产品，有为主要产品，有3.3V3.3V、2.5V 2.5V 和和 1.8V 1.8V 三种供电电压，器件的三种供电电压，器件的宏单元个数从宏单元个数从3232到到512512不等。引脚从不等。引脚从4444

8、到到256 256 不等、具有多种不等、具有多种密度和密度和I/OI/O组合及组合及TQFPTQFP、fpBGAfpBGA和和caBGAcaBGA等封装。但基本结构和等封装。但基本结构和功能相似，都具有在系统可编程能力，只是各个系列的侧重点功能相似，都具有在系统可编程能力，只是各个系列的侧重点不一样，结构规模、性能强弱略有区别，速度和密度也各有差不一样，结构规模、性能强弱略有区别，速度和密度也各有差异。下面就以异。下面就以ispLSIispLSI的基本系列的基本系列ispLSI1000ispLSI1000为例，讨论它的结为例，讨论它的结构及工作原理。构及工作原理。 第七章 高密度可编程器件10

9、16)(器件系列器件系列PLSIISPLSI器件型号器件型号速度速度110=110MHzfmax90=90MHzfmax80=80MHzfmax60=60MHzfmax级别级别空空=商业级商业级I=工业级工业级/883=军级军级封装形式封装形式J=PLCCT=TQFPH=HLCC功耗功耗L=低功耗低功耗ispLSI1016ispLSI1016是是ispLSI1000ispLSI1000系列中的一个型号器件。系列中的一个型号器件。10161016的的主要性能指标有速度、功耗等。主要性能指标有速度、功耗等。10161016按其速度可分为许多按其速度可分为许多档级，这些都明白地表示在其型号说明上，规

10、则如下档级，这些都明白地表示在其型号说明上，规则如下: : 例如例如ispLSI1016-60LJ指最高工作频率指最高工作频率fmax为为60MHz、低功耗、低功耗、PLCC封装的在系统编程封装的在系统编程1016器件器件第七章 高密度可编程器件ispLSI1016ispLSI1016是电可擦是电可擦CMOS(ECMOS(E2 2-CMOS)-CMOS)器件，器件，其芯片有其芯片有4444个引脚，个引脚，其中其中3232个是个是I/OI/O引脚，引脚，4 4个是专用输入引脚，个是专用输入引脚，集成密度为集成密度为20002000等效等效门，每片含门，每片含6464个触发个触发器和器和3232个

11、锁存器个锁存器, ,pin-to-pinpin-to-pin延迟为延迟为10ns10ns系统工作频率可达系统工作频率可达110110MHzMHz。 ispLSI1016ispLSI1016的引脚图的引脚图第七章 高密度可编程器件全全局局布布线线区区万万能能逻逻辑辑块块输输入入输输出出单单元元输输出出布布线线区区大块输出结构大块输出结构时钟分配网络时钟分配网络第七章 高密度可编程器件 全局布线区全局布线区: : 全局布线区全局布线区GRPGRP位于芯片的中央。以固定的方式将所有位于芯片的中央。以固定的方式将所有片内逻辑联系在一起，供设计者使用。它和通用总线片内逻辑联系在一起，供设计者使用。它和通

12、用总线的功能一致，其特点是其输入的功能一致，其特点是其输入/ /输出之间的延迟是恒定输出之间的延迟是恒定的和可预知的。例如：的和可预知的。例如：110MHz110MHz档级的芯片在带有档级的芯片在带有4 4个个GLBGLB负载时其延迟时间为负载时其延迟时间为0.80.8nsns，和输入、输出的位置，和输入、输出的位置无关。这个特点使片内互连性非常完善，使用者可以无关。这个特点使片内互连性非常完善，使用者可以很方便地实现各种复杂的设计。很方便地实现各种复杂的设计。 第七章 高密度可编程器件万能逻辑块万能逻辑块GLB(GenericGLB(GenericLogicLogicBlock) :Bloc

13、k) :万能逻辑块万能逻辑块GLBGLB是是ispLSIispLSI器件的最基本逻辑单元，是图中器件的最基本逻辑单元，是图中GRPGRP两边的小方块，标为两边的小方块，标为A0A0，A1A1，A7A7和和B0B0，B1,B1,，B7B7，每边，每边8 8块，共块，共1616块。块。GLBGLB的结构图，它由与阵列、乘积项共享阵列，四输出逻的结构图，它由与阵列、乘积项共享阵列，四输出逻辑宏单元和控制逻辑组成。辑宏单元和控制逻辑组成。与与阵阵列列乘积项乘积项共享阵列共享阵列四输出逻辑四输出逻辑宏单元宏单元控制逻辑控制逻辑乘乘积积项项20输出输出至至GRP，ORP或或I/044复位复位时钟时钟专用输

14、入专用输入来自来自GRP的输入的输入162GLB结构结构第七章 高密度可编程器件第七章 高密度可编程器件第七章 高密度可编程器件第七章 高密度可编程器件GLBGLB的组态功能很强的组态功能很强, ,可有五种组态模式可有五种组态模式: :(1) (1) 标准组态标准组态(2) (2) 高速直通组态高速直通组态(3) (3) 异或逻辑组态异或逻辑组态(4) (4) 单乘积项组态单乘积项组态 (5) (5) 多模式组态多模式组态GLBGLB是是ispLSIispLSI芯片中最关键的部件，它是一种标准逻辑芯片中最关键的部件，它是一种标准逻辑块，块，10001000，20002000系列的系列的GLBG

15、LB都与此相同，都与此相同，30003000和和60006000系系列的列的GLBGLB则采用了则采用了: : 孪生孪生GLB(twinGLB(twinGLB)GLB)即一个即一个GLBGLB中有两个这样的逻辑块，共有中有两个这样的逻辑块，共有2424个输入，每个输入，每个逻辑块各自产生个逻辑块各自产生 2020个乘积项，最终可以获得两套四个乘积项，最终可以获得两套四端口输出端口输出第七章 高密度可编程器件(a)(a)标准组态标准组态: :第七章 高密度可编程器件（b b）高速直通组态）高速直通组态第七章 高密度可编程器件（c c）异或逻辑组态）异或逻辑组态第七章 高密度可编程器件（d d）单

16、乘积项组态）单乘积项组态第七章 高密度可编程器件（e e）多模式组态）多模式组态第七章 高密度可编程器件孪生孪生GLB:GLB:第七章 高密度可编程器件MUX选择端选择端00输出组态输出组态01，10双向双向I/O11输入组态输入组态两个两个MUX用来选择输出极性和选择信号输出途径用来选择输出极性和选择信号输出途径选择输入组态方式选择输入组态方式直接输入直接输入锁存（锁存（latch)方式方式寄存器寄存器(register)方式方式选择和调整时钟的极性选择和调整时钟的极性输入输出单元输入输出单元第七章 高密度可编程器件阵列有阵列有16个输出端个输出端分别与该侧的分别与该侧的16个个IOC相连相

17、连在在ORP旁边还旁边还有有16条通向条通向GRP的总线，的总线，I/O单元可以单元可以使用使用,GLB的的输出也可通输出也可通过过ORP使用它使用它从而方便地从而方便地实现了实现了I/O端端复用的功能和复用的功能和GLB之间的互之间的互连。连。输输出出布布线线区区阵列的输入是阵列的输入是8个个GLB的的32个输入端个输入端它是介于它是介于GLB和和IOC之间的可编程互联阵列之间的可编程互联阵列,通过对通过对ORP的编程可以将的编程可以将任一个任一个GLB输出灵活地送到输出灵活地送到16个个I/O端的某一个端的某一个。可见。可见1016的一大特点的一大特点是是IOC与与GLB之间没有一一对应的

18、关系，每个之间没有一一对应的关系，每个GLB输出对应输出对应4个个I/O端端在布线时可以接到任意一个外部管脚上。在布线时可以接到任意一个外部管脚上。修改设计方案会动到硬件引修改设计方案会动到硬件引脚分脚分配。配。输出布线区输出布线区ORP逻辑图逻辑图第七章 高密度可编程器件为进一步提高器件的灵活性，为进一步提高器件的灵活性，ispLSIispLSI器件还可使器件还可使GLBGLB的的输出跨过输出跨过ORPORP直接与直接与I/OI/O单元相连单元相连. . 跨越跨越OPROPR连接方式连接方式第七章 高密度可编程器件时钟分配网络还可以利用器件中的某一个时钟分配网络还可以利用器件中的某一个GLB

19、分频产生系统时钟，如分频产生系统时钟，如ispLSI1032中的中的GLB“C0”和和ispLSI1016中的中的GLB“B0”，它们的，它们的4个输出可以接到个输出可以接到CLK1，CLK2，IOCLK0和和IOCLK1系统时钟上。系统时钟上。ispLSIispLSI10001000系列器件中共有系列器件中共有4 4个专用的个专用的系统时钟管脚系统时钟管脚(Y0(Y0，Y1Y1，Y2Y2，Y3)Y3)，ispLSI1016ispLSI1016比较特殊，只有其中的比较特殊，只有其中的3 3个个(Y0(Y0，Y1Y1，Y2)Y2)。通过时钟分配网络，。通过时钟分配网络，这这3 3个管脚上的时钟可

20、以分配给个管脚上的时钟可以分配给GLBGLB或或IOCIOC。时钟分配网络产生时钟分配网络产生5 5个全局时钟信号个全局时钟信号CLK0CLK0，CLK1CLK1，CLK2CLK2，IOCLKOIOCLKO和和IOCLK1IOCLK1。CLK0CLK0，CLK1CLK1和和CLK2CLK2用作器件用作器件GLBGLB的时钟，的时钟，IOCLKOIOCLKO和和IOCLK1IOCLK1用作器件用作器件IOCIOC的时钟。的时钟。时钟分配网络（时钟分配网络（CDN)逻辑图逻辑图第七章 高密度可编程器件大块方框图大块方框图第七章 高密度可编程器件大块的输出使能控制大块的输出使能控制第七章 高密度可编

21、程器件ispLSI1032引脚图引脚图第七章 高密度可编程器件全全局局布布线线区区万万能能逻逻辑辑块块大块输出结构大块输出结构时钟分配网络时钟分配网络输输入入输输出出单单元元输输出出布布线线区区第七章 高密度可编程器件全全局局布布线线区区万万能能逻逻辑辑块块时钟分配网络时钟分配网络大块输出结构大块输出结构输输入入输输出出单单元元输输出出布布线线区区全局布线区全局布线区GRP（GlobolRoutingpool)位于芯片的中央，与位于芯片的中央，与ispLSI1016类似，类似，只是规模更大。只是规模更大。第七章 高密度可编程器件全全局局布布线线区区万万能能逻逻辑辑块块时钟分配网络时钟分配网络大

22、块输出结构大块输出结构输输入入输输出出单单元元输输出出布布线线区区万能逻辑块万能逻辑块GLB(Genericlogicblock)与与ispLSI1016类似，类似，ispLSI1032有有32个个GLB：（A0,A1A7;B0,B1.B7)(C0,C1.C7;D0,D1.D7)第七章 高密度可编程器件全全局局布布线线区区万万能能逻逻辑辑块块时钟分配网络时钟分配网络大块输出结构大块输出结构输输入入输输出出单单元元输输出出布布线线区区I/O单元：单元：ispLSI有有64个个I/O单元单元第七章 高密度可编程器件全全局局布布线线区区万万能能逻逻辑辑块块时钟分配网络时钟分配网络大块输出结构大块输出

23、结构输输入入输输出出单单元元输输出出布布线线区区IspLSI1032有有4个大块个大块第七章 高密度可编程器件全全局局布布线线区区万万能能逻逻辑辑块块时钟分配网络时钟分配网络大块输出结构大块输出结构输输入入输输出出单单元元输输出出布布线线区区与与ispLSI1016一样一样第七章 高密度可编程器件7.37.3在系统编程原理在系统编程原理 在系统可编程技术解决可编程逻辑器件的编程问题。传在系统可编程技术解决可编程逻辑器件的编程问题。传传统可编程逻辑器件在用于生产时，是先编程后装配，传统可编程逻辑器件在用于生产时，是先编程后装配，在系统可编程器件则可以先装配后编程，并且成为产品在系统可编程器件则可

24、以先装配后编程，并且成为产品后还可反复编程。后还可反复编程。7.3.17.3.1ISPISP器件编程元件的物理布局器件编程元件的物理布局 7.3.27.3.2ISPISP编程接口编程接口 7.3.37.3.3ISPISP器件的编程方式器件的编程方式 第七章 高密度可编程器件 器件的逻辑组态和其它编程信息的数据用器件的逻辑组态和其它编程信息的数据用E E2 2CMOSCMOS元件元件存储，存储，E E2 2CMOSCMOS元件按行和列排成阵列。每个元件按行和列排成阵列。每个E E2 2CMOSCMOS元件元件为一个存储单元，单元置为一个存储单元，单元置“0 0”表示这个单元已经编程，表示这个单元

25、已经编程，或者有一个逻辑连接；或者有一个逻辑连接；单元置单元置“1 1”表示这个单元被擦表示这个单元被擦除，相当于开路连接。在编程时，通过行地址和数据除，相当于开路连接。在编程时，通过行地址和数据位对位对E E2 2CMOSCMOS元件寻址。元件寻址。 有两个串行移位寄存器：有两个串行移位寄存器： 水平移位寄存器（要写入的位数据）水平移位寄存器（要写入的位数据） 垂直移位寄存器（阵列的行地址）垂直移位寄存器（阵列的行地址） 在变成脉冲的作用下将编程数据写入在变成脉冲的作用下将编程数据写入E E2 2CMOSCMOS阵列阵列第七章 高密度可编程器件E E2 2CMOSCMOS单元阵列单元阵列95

26、地址移位寄存器 0SD1SD0SD179 高端移位寄存器 . . . 0159. . . 低端移位寄存器 . . .80SD0数据数据数据数据将要写入的编程单元地址（L0000）移入地址移位寄存器 0 0 0 0 0 0 . 1L0000将要写入的编程单元地址（L0000）移入地址移位寄存器将要写入该行的数据移入水平移位寄存器0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 00 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0在编程脉冲的作用下将水平移位寄存器内容写入该行 1 0 0

27、0 0 0 . 0将地址移位寄存器移动一位，指向下一行（L0001)L000179 高端移位寄存器 . . . 00 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 00 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 将水平移位寄存器的内容置入下行的编程数据 在编程脉冲作用下将数据写入下行（L0001)第七章 高密度可编程器件 对于不同的型号器件，其编程单元数、数据移位寄存对于不同的型号器件，其编程单元数、数据移位寄存器和地址移位寄存器的长度是不一样的，下表列出了几器和地址移位寄存器的

28、长度是不一样的，下表列出了几种不同型号的种不同型号的ispLSIispLSI器件的编程参数。器件的编程参数。 地址地址SRSR长度长度数据数据SRSR长度长度编程单元数编程单元数ispLSI1016/EispLSI1016/E ispLSI1024/EispLSI1024/EispLSI1032/EispLSI1032/EispLSI1048/CispLSI1048/CispLSI2032ispLSI2032ispLSI3256ispLSI325696/11096/110102/122102/122108/134108/134120/155120/15510210218018016016024

29、0240320320480/480480/480808067667615360/1760015360/1760024480/2928024480/2928034560/4288034560/4288057600/7440057600/74400 81608160121680121680ispLSI器件的编程参数器件的编程参数第七章 高密度可编程器件 在在ispLSIispLSI器件中，存储单元除了存放和逻辑功能有关的数据器件中，存储单元除了存放和逻辑功能有关的数据外，还有一部分存储单元用来标记制造商和用户的信息，这就是识外，还有一部分存储单元用来标记制造商和用户的信息，这就是识别码和用户电子标

30、签。别码和用户电子标签。每种每种ispLSI(ispLSI(包括包括ispisp的其它系列，如的其它系列，如ispGALispGAL、ispGDS)ispGDS)器件都有一个唯器件都有一个唯一的一的8 8位器件识别码位器件识别码(ID(ID码码) )，它代表器件的型号，这些，它代表器件的型号，这些IDID码可以在编程码可以在编程时读出。时读出。1 1）识别码）识别码2)2)用户电子标签用户电子标签(UES)(UES)用户电子标签由一些附加在可编程阵列中的额外的行组成，用来分配存用户电子标签由一些附加在可编程阵列中的额外的行组成，用来分配存储用户信息。例如制造商的识别码、编程日期、编程者、方式码

31、、校验储用户信息。例如制造商的识别码、编程日期、编程者、方式码、校验位、位、PCBPCB位置、版权号和产品流程等，位置、版权号和产品流程等，这些信息有助于用户文档的管理。这些信息有助于用户文档的管理。器件加密后，仍能够读出器件加密后，仍能够读出UESUES。当器件被擦除或重新编程时，。当器件被擦除或重新编程时，UESUES数据行数据行会被自动地擦除掉，防止老的与新用户电子标签相混。会被自动地擦除掉，防止老的与新用户电子标签相混。 第七章 高密度可编程器件器器件件8 8位位IDID码码ispLSI1016ispLSI1016器器件件8 8位位IDID码码ispLSI1032ispLSI1032i

32、spLSI032EispLSI032EispGAL22V10ispGAL22V10ispLSI2032ispLSI2032ispGDS22ispGDS22ispLSI3256ispLSI3256ispLSI1048EispLSI1048E000010000000100000010101000101010000110100001101ispLSI1048ispLSI10480000001100000011ispLSI1024ispLSI102400000001000000010000001000000010000011100000111000100010001000100111001001110

33、0100000010000000100ispLSIispLSI器件中还有一个器件中还有一个1616位的编程次数计数器，用来记录位的编程次数计数器，用来记录器件被编写的次数，防止器件编程超过允许的次数而引起器件被编写的次数，防止器件编程超过允许的次数而引起的不可靠。的不可靠。 第七章 高密度可编程器件ISP编程的接口只有编程的接口只有5个信号：个信号：MODE：模式控制输入，为编程状态机控制线；模式控制输入，为编程状态机控制线；SDI：串行数据输入，同时也是编程状态机的控制线；串行数据输入，同时也是编程状态机的控制线；SDO：串行数据输出；串行数据输出；SCLK：串行时钟输入；串行时钟输入；is

34、pEN：在系统编程使能输入，控制器件的操作模式，在系统编程使能输入，控制器件的操作模式，并切换并切换SDI，SD0，SCLK，MODE信号线的功能，一旦被拉信号线的功能，一旦被拉低，器件即进入编程模式。低，器件即进入编程模式。*对于对于MODE,SDI，SDO，SCLK这这4个引脚，只有当引脚个引脚，只有当引脚ispEN为低电平时才能接受编程电缆送来的编程信息；为低电平时才能接受编程电缆送来的编程信息；当当ispEN为高电平为高电平(正常状态正常状态)时，它们都可作为输入端时，它们都可作为输入端(直通直通输入端输入端)使用。使用。第七章 高密度可编程器件对某一行的编程过程包括：对某一行的编程过

35、程包括：按地址和命令将按地址和命令将JED文件中的数据自文件中的数据自SDI端串行装入端串行装入数据寄存器；数据寄存器；将编程数据写进将编程数据写进E2CMOS逻辑单元；逻辑单元；将写入的数据自将写入的数据自SDO移出校验等三个操作。移出校验等三个操作。ispLSI中安排了一个编程状态机来控制编程操作的执行中安排了一个编程状态机来控制编程操作的执行编程状态机实际上是有三个状态的时序机，如图所示。编程状态机实际上是有三个状态的时序机，如图所示。三个状态分别为闲置状态、移位状态和执行状态。三个状态分别为闲置状态、移位状态和执行状态。控制编程状态机状态转换的信号有两个：控制编程状态机状态转换的信号有

36、两个：MODE和和SDI第七章 高密度可编程器件闲置状态（正常工作）装载识别码装载识别码10识别码移位识别码移位0d11移位状态移位状态（装载命令）（装载命令）执行状态执行状态（执行命令）（执行命令）(1)(1)闲置状态。即正常工作的状态，也是时序机的初始状态。闲置状态。即正常工作的状态，也是时序机的初始状态。读器件的标识码就处于这个状态，在读器件的标识码就处于这个状态，在MODEMODE，SDISDI控制下，用控制下，用SCLKSCLK定时，将器件的标识码装入移位寄存器。同样在上述定时，将器件的标识码装入移位寄存器。同样在上述信号控制下，可将标识码从移位寄存器中移出。信号控制下，可将标识码从

37、移位寄存器中移出。 闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）第七章 高密度可编程器件闲置状态（正常工作）识别码移位装载识别码100d11移位状态（装载命令）装载命令0d11执行状态（执行命令）移位状态（装载命令）102)2)移位状态。这个状态主要用于把命令装入状态机。移位状态。这个状态主要用于把命令装入状态机。MODEMODE，SDISDI为为0d0d时，时，SCLKSCLK将指令移进状态机中。一旦指令装进状态机，将指令移进状态机中。一旦指令装进状态机，MODEMODE，SDISDI为为1111，状态机转移到执行状态以执行命令。，状态机转移到执行状态以执行命令。第七章 高密度可编程器件10闲置

38、状态（正常工作）识别码移位装载识别码100d11移位状态（装载命令）装载命令0d1111执行状态（执行命令）执行命令0d10执行状态（执行命令）(3)(3)执行状态。在执行状态下，状态机执行在移位状态装入器执行状态。在执行状态下，状态机执行在移位状态装入器件的命令。对于某些命令，状态机需要多个时钟周期去执行。件的命令。对于某些命令，状态机需要多个时钟周期去执行。例如地址移位命令和数据移位命令，这些命令所需要的时钟脉例如地址移位命令和数据移位命令，这些命令所需要的时钟脉冲数目同器件的移位寄存器大小有关。冲数目同器件的移位寄存器大小有关。 第七章 高密度可编程器件ISP技术实质上是一种串行编程技术

39、，利用技术实质上是一种串行编程技术，利用ISP技术可以技术可以完全摆脱编程器，并解决传统可编程器件较难解决的完全摆脱编程器，并解决传统可编程器件较难解决的问问题。题。1)1)利用利用PCPC机的机的I/OI/O口编程口编程 2)2)利用用户目标板上微处理器编程利用用户目标板上微处理器编程 3)3)多个多个ISPISP器件的编程器件的编程 菊花链结构菊花链结构(Daisy(DaisyChain)Chain) 第七章 高密度可编程器件ISP编程接口非常简单，只需要一个简单的编程电缆和编程接口非常简单，只需要一个简单的编程电缆和一台一台PC机就可以完成器件编程，共有机就可以完成器件编程，共有5根信号

40、线：模式根信号线：模式控制输入控制输入MODE、串行数据输入、串行数据输入SDI、串行数据输出、串行数据输出SDO、串行时钟输入串行时钟输入SCLK和在系统编程输入和在系统编程输入ispEN，PC机可以机可以通过这通过这5根信号线完成编程数据传递和编程操作根信号线完成编程数据传递和编程操作。第七章 高密度可编程器件为了保证信号的完整性和驱动能力，在电缆的一端还装有为了保证信号的完整性和驱动能力，在电缆的一端还装有一片一片74HC367，如图，目标板上必须有相应的接插件，将，如图，目标板上必须有相应的接插件，将编程信号引入到编程信号引入到ISP器件。器件。PCPC机并口缓冲器及机并口缓冲器及RJ

41、45RJ45接插件定义接插件定义第七章 高密度可编程器件可以利用目标板直接对可以利用目标板直接对ISP器件编程。编程的关键在于提供准器件编程。编程的关键在于提供准确定时的确定时的ISP编程信号。至于编程信号。至于ISP编程硬件的构置，完全取决于编程硬件的构置，完全取决于存储器件的类型和存储器件的类型和ISP器件的编程方法。图中列出了用户系统器件的编程方法。图中列出了用户系统编程的结构示例编程的结构示例。用户微机板编程结构用户微机板编程结构第七章 高密度可编程器件如用单片机构成编程系统，则有下面所示的结构：如用单片机构成编程系统，则有下面所示的结构： 80318031单片机在系统编程原理框图单片

42、机在系统编程原理框图第七章 高密度可编程器件如果一块线路板上装有多块如果一块线路板上装有多块LatticeISP器件，不必对每器件，不必对每块器件都安排一个编程接口，只要总的安排一个接口就块器件都安排一个编程接口，只要总的安排一个接口就行了。行了。LatticeISP器件有一种特殊的串行编程方式，称器件有一种特殊的串行编程方式，称称为菊花链结构称为菊花链结构(DaisyChain)，其硬件接口简单，编程，其硬件接口简单，编程效率高，并且容易实现。效率高，并且容易实现。其特点是多片合用一套其特点是多片合用一套ISP编程接口，每片的编程接口，每片的SDI输入端输入端与前面一片的与前面一片的SDO输

43、出端相连，最前面一片的输出端相连，最前面一片的SDI端和最端和最最后一片的最后一片的SDO端与端与ISP编程接口相连，构成一类似移位编程接口相连，构成一类似移位寄存器的链形结构。链中的器件数可以很多，只要不超寄存器的链形结构。链中的器件数可以很多，只要不超出接口的驱动能力即可。出接口的驱动能力即可。第七章 高密度可编程器件各各ISP器件的内部状态机是受器件的内部状态机是受MODE信号和信号和SDI信号控制的。信号控制的。在在MODE为高电平时，器件内的移位寄存器被短路，为高电平时，器件内的移位寄存器被短路，SDI端直通端直通SDO端，各端，各LSI内部状态一样。内部状态一样。当当MODE为低电

44、平时，各器件中的移位寄存器都嵌入菊花链中，为低电平时，各器件中的移位寄存器都嵌入菊花链中，相互串联在一起。相互串联在一起。第七章 高密度可编程器件闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）ispEN=0ispEN=0，MODEMODE，SDI=10SDI=10，编程状态机处于闲置状态，并进，编程状态机处于闲置状态，并进行装载识别码。在行装载识别码。在SCLKSCLK作用下，将各自内部硬件决定的识别作用下，将各自内部硬件决定的识别码装入移位寄存器码装入移位寄存器。编程状态机状态图编程状态机状态图识别码移位寄存器结构识别码移位寄存器结构然后将然后将MODEMO

45、DE，SDISDI改为改为0101，它对应于识别码移位状态，在，它对应于识别码移位状态，在SCLKSCLK作用下，逐位从作用下，逐位从SDOSDO移出，就得到了器件排列信息移出，就得到了器件排列信息( (计算机以计算机以连续收到连续收到8 8个个0 0作为移位结束作为移位结束) )。 闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）装载识别码装载识别码10识别码移位识别码移位0d00000000000000000000000000000000第七章 高密度可编程器件闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）装载识别码装载识别码10识别码移位识别码移位0d闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）闲置状态闲

46、置状态（正常工作）（正常工作）11先令先令MODEMODE，SDI=11SDI=11，使各芯片的编程状态机进入移位状态；然，使各芯片的编程状态机进入移位状态；然后令后令MODE=0MODE=0，指令流串行移位送入，经过，指令流串行移位送入，经过2020个个SCLKSCLK周期，周期，指令码全部到位。指令码全部到位。装载命令装载命令0d闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）编程状态机状态图编程状态机状态图FLOWTHRU01110SHIFT_DATA00010SD0SD1ISPLSI1032ISPGAL22V10ISPGDS22ISPLSI2032FLOWTHRU01110FLOWTHRU01

47、11010FLOWTHRU(01110)FLOWTHRU(01110)是数据流直通指令，在执行这条指令时，是数据流直通指令，在执行这条指令时，SDI SDI 与与SD0SD0直通，现对对直通，现对对22V1022V10要执行的是要执行的是SHIFT-DATA(00010SHIFT-DATA(00010）操作操作 ，数据移位。，数据移位。识别码移位寄存器结构识别码移位寄存器结构第七章 高密度可编程器件闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）装载识别码装载识别码10识别码移位识别码移位0d闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）装载命令装载命令0d1110闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）装

48、载命令装载命令0d闲置状态闲置状态（正常工作）（正常工作）11编程状态机状态图编程状态机状态图再次令再次令MODEMODE，SDI=11SDI=11，进入执行状态；再将，进入执行状态；再将MODE=0MODE=0，从，从SDISDI送送入数据，因入数据，因22V1022V10的地址的地址/ /数据寄存器共数据寄存器共138138位，应送入位，应送入138138位数位数据，而此时前后芯片皆工作于数据直通状态，故送入的数据经据，而此时前后芯片皆工作于数据直通状态，故送入的数据经138138个个SCLKSCLK周期全部进入周期全部进入22V1022V10的移位寄存器。的移位寄存器。SD0SD1ISP

49、LSI1032ISPGAL22V10ISPGDS22ISPLSI20320bitSR138bitSR0bitSR0bitSR至此对至此对22V1022V10的这一步操作算完成了，接着使的这一步操作算完成了，接着使MODEMODE，SDI=11SDI=11，状态机回到移位状态，送入新的命令状态机回到移位状态，送入新的命令如如MODEMODE，SDI=10SDI=10，则进入闲置状态。则进入闲置状态。1110第七章 高密度可编程器件7.4FPGA器件器件FPGA与与CPLD的辨别和分类主要是根据其结结构特点和工作原的辨别和分类主要是根据其结结构特点和工作原理。理。CPLD：以乘积项结构方式构成逻辑

50、行为的器件称为：以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD，具有一定的限制，缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟具有一定的限制，缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间，如时间，如Lattice的的ispLSI系列、系列、Xilinx的的XC9500系列、系列、Altera的的MAX7000S系列和系列和Lattice（原（原Vantis）的）的Mach系列等。系列等。FPGA：以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为：以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA，大多数的大多数的FPGA含有高层次的内置模块（比如加法器和乘法器）含有高层次的内置模块（比如加法器和乘法器）和内置的记忆体

51、。编辑灵活，结构复杂。和内置的记忆体。编辑灵活，结构复杂。第七章 高密度可编程器件7.4.1FPGA的基本结构的基本结构7.4.5XC4000系列系列FPGA的配置模式的配置模式7.4.2 FPGA7.4.2 FPGA开发流程开发流程7.4.4XC4000系列系列FPGA7.4.3Altera低成本低成本FPGA第七章 高密度可编程器件7.4.1FPGA的基本结构的基本结构第七章 高密度可编程器件1.可编程输入输出单元可编程输入输出单元 I/O I/O单元即输入输出单元，是芯片与外界电路的接口部分，单元即输入输出单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电器特性下对输入完成不同电器特性下对输入

52、/ /输出信号的驱动与匹配需求。为输出信号的驱动与匹配需求。为了使了使FPGAFPGA的应用更灵活，目前大多数的应用更灵活，目前大多数FPGAFPGA的的I/OI/O单元被设计为单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配置，可以适配不同的电气可编程模式，即通过软件的灵活配置，可以适配不同的电气标准与标准与IOIO物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻；物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。可编程可以调整输出驱动电流的大小等。可编程I/OI/O单元支持的电气单元支持的电气标准因工艺而异，不同器件商不同器件族的标准因工艺而异，不同器件商不同器件族的FPGAF

53、PGA支持的标准支持的标准也不同。值得一提的是，随着也不同。值得一提的是，随着ASICASIC工艺的飞速发展，目前可工艺的飞速发展，目前可编程编程I/OI/O支持的最高频率越来越高。一些高端的支持的最高频率越来越高。一些高端的FPGAFPGA通过通过DDRDDR寄存器技术，甚至可以支持高达寄存器技术，甚至可以支持高达2Gbit/s2Gbit/s的数据速率。的数据速率。 第七章 高密度可编程器件2.基本可编程逻辑单元基本可编程逻辑单元基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵基本可编程逻辑单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活的改变其内部连接与配置，完成不同的逻辑功能。活的改变其内部

54、连接与配置，完成不同的逻辑功能。FPGAFPGA一般一般基于基于SRAMSRAM工艺，其基本可编程逻辑单元几乎都是由查找表工艺，其基本可编程逻辑单元几乎都是由查找表（LUTLUT）和寄存器组成的。）和寄存器组成的。LUTLUT结构结构第七章 高密度可编程器件3.嵌入式嵌入式RAM块块FPGA内部嵌入可编程内部嵌入可编程RAM块，大大拓展了块，大大拓展了FPGA的应用的应用范围和使用灵活性。范围和使用灵活性。FPGA内嵌的内嵌的RAM块一般可以灵活的配块一般可以灵活的配置为单端口置为单端口RAM、双端口、双端口RAM、伪双端口、伪双端口RAM、CAM（ContentAddressableMemo

55、ry）、）、FIFO（FirstInFirstOut）等常用存储结构。等常用存储结构。不同器件商或器件族的内嵌不同器件商或器件族的内嵌RAM块的结构是不同的。块的结构是不同的。Xilinx常见的常见的RAM块大小是块大小是4kbit和和18kbit两种结构，两种结构，Lattice常用的常用的RAM块大小是块大小是9kbit，Altera的的RAM块最为灵活，一些块最为灵活，一些高端的高端的FPGA内部同时含有内部同时含有3种种RAM块结构，即块结构，即M512RAM（512bit）、）、M4KRAM（4kbit）、）、M-RAM（512kbit）。根）。根据设计需求，据设计需求，RAM块的数

56、量和配置方式也是器件选型的一个块的数量和配置方式也是器件选型的一个重要标准。重要标准。第七章 高密度可编程器件4.丰富的布线资源丰富的布线资源布线资源连通了布线资源连通了FPGA内部的所有单元。连线的长度和工艺内部的所有单元。连线的长度和工艺决定着信号的驱动能力和传输速度。决定着信号的驱动能力和传输速度。FPGA内部有丰富的布线资内部有丰富的布线资源，根据其工艺、长度、宽度和分布位置的不同被划分为不同源，根据其工艺、长度、宽度和分布位置的不同被划分为不同的等级，有一些是全局性的专用布线资源，用以完成器件内部的等级，有一些是全局性的专用布线资源，用以完成器件内部的全局时钟和全局复位的全局时钟和全

57、局复位/置位的布线；一些叫做长线资源，用以置位的布线；一些叫做长线资源，用以完成器件分区间的一些高速信号和第二全局时钟信号的布线；完成器件分区间的一些高速信号和第二全局时钟信号的布线；还有一些叫做短线资源，用以完成基本逻辑单元之间的逻辑互还有一些叫做短线资源，用以完成基本逻辑单元之间的逻辑互联和布线；另外，在基本逻辑单元内部还有各种布线资源和专联和布线；另外，在基本逻辑单元内部还有各种布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。用时钟、复位等控制信号线。第七章 高密度可编程器件5.底层嵌入功能单元底层嵌入功能单元通用性比较高的嵌入式功能模块，比如通用性比较高的嵌入式功能模块，比如PLL（PhaseL

58、ockedLoop）、）、DLL（DelayLockedLoop）、）、DSP、CPU等。随着等。随着FPGA的发展，这些模块被越来的发展，这些模块被越来越多的嵌入到越多的嵌入到FPGA的内部，以满足不同场合的需求。的内部，以满足不同场合的需求。第七章 高密度可编程器件6.内嵌专用硬核内嵌专用硬核 这里的内嵌专用硬核主要指那些通用性相对较弱，这里的内嵌专用硬核主要指那些通用性相对较弱，不是所有不是所有FPGA器件都包含硬核（器件都包含硬核（HardCore），与），与前面的前面的“底层嵌入单元底层嵌入单元”是不同的。是不同的。 第七章 高密度可编程器件 7.4.2FPGA开发流程开发流程图形输

59、入图形输入文本输入文本输入混合输入混合输入第七章 高密度可编程器件 7.4.3Altera低成本低成本FPGAAltera公司的低成本公司的低成本FPGA继继ACEX后，推出了后，推出了Cyclone（飓风）（飓风）系列，之后还有基于系列，之后还有基于90nm工艺的工艺的Cylone。低成本。低成本FPGA主要主要定位在大量，且对成本敏感的设计中，如数字终端、手持设备定位在大量，且对成本敏感的设计中，如数字终端、手持设备等。另外，在等。另外，在PC、消费类产品和工业控制领域，、消费类产品和工业控制领域，FPGA还不是还不是特别普及，主要原因就是以前其成本相对较高。目前随着特别普及，主要原因就是

60、以前其成本相对较高。目前随着FPGA厂商的工艺改进，制造成本的降低，低端市场竞争也非厂商的工艺改进，制造成本的降低，低端市场竞争也非常激烈，不断有新的产品推向市场。常激烈，不断有新的产品推向市场。第七章 高密度可编程器件1.Cyclone系列系列FPGA 特性特性EP1C3EP1C4EP1C6EP1C12E1C20LE2910400059801206020060M4KRAM块数块数1317205264总总RAM位数位数599047833692160239616294912锁相环（锁相环（PLL）12222封装形式封装形式TQFPFBGATQFP,PQFP,FBGAPQFP,FBGAFBGA最大