三明学院EDA第三章 可编程逻辑器件

1、2021-12-2913.1 可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件简介 3.2 可编程逻辑器件的硬件结构可编程逻辑器件的硬件结构3.3 FPGA和和CPLD的开发应用选择的开发应用选择3.4 在系在系统可统可编程编程(ISP)逻辑器件逻辑器件 内容提要2021-12-292数字电路课程的回顾n布尔函数数字系统数学基础（卡诺图）n数字电路设计的基本方法n组合电路设计组合电路设计问题逻辑关系真值表化简逻辑图n时序电路设计时序电路设计列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图2021-12-293n使用中、小规模器件设计电路（74、54系列）n编码器（74LS148）n译码器（74

2、LS154）n比较器（74LS85）n计数器（74LS193）n移位寄存器（74LS194）n2021-12-294n设计方法的局限设计方法的局限n卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。n采用“搭积木”的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。n设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。n组合电路设计组合电路设计问题逻辑关系真值表化简逻辑图n时序电路设计时序电路设计列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图2021-12-295n采用中小规模器件的局限n电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性低提高芯片的集成度提高芯片的集成

3、度n设计比较困难能方便地发现设计错误能方便地发现设计错误n电路修改很麻烦提供方便的修改手段提供方便的修改手段n使用中、小规模器件设计电路（74、54系列）2021-12-2962021-12-2971. PLD1. PLD的概念的概念? ? (PLD: Programmable Logic Device)(PLD: Programmable Logic Device) 一种由用户一种由用户编程以实现某种逻辑功能编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。的新型逻辑器件。 半成品芯片半成品芯片，芯片上仅集成一些逻辑门、触发器、连接，芯片上仅集成一些逻辑门、触发器、连接线等电路资源，在出厂时不具备任何逻

4、辑功能。线等电路资源，在出厂时不具备任何逻辑功能。 应用应用PLDPLD设计逻辑电路时，必须设计逻辑电路时，必须使用相应的软件、硬件使用相应的软件、硬件开发工具开发工具才能完成。才能完成。 用户先使用开发软件将设计电路转化成某个用户先使用开发软件将设计电路转化成某个信息文件信息文件，然后由编程器或下载电缆将这些信息然后由编程器或下载电缆将这些信息“编程编程”到芯片上去，到芯片上去，从而使芯片具有相应的逻辑功能。从而使芯片具有相应的逻辑功能。3.1 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD简介简介2021-12-2982. 可编程逻辑器件的发展历程可编程逻辑器件的发展历程 PROM (Programm

5、able Read Only Memory)PLA (Programmable Logic Array)PAL (Programmable Array Logic)GAL (Generic Array Logic)EPLDCPLDFPGA20世纪世纪70年代初年代初70年代末年代末80年代初年代初80年代中期年代中期-末期末期在系统可编程逻辑器件在系统可编程逻辑器件ispPLD单片可编程系统单片可编程系统 SOPC、模拟可编程逻辑器件模拟可编程逻辑器件ispPAC90年代后年代后3.1 可编程逻辑器件PLD简介2021-12-299 3.2.1 PLD的基本结构的基本结构3.2 可编程逻辑器件

6、的硬件结构可编程逻辑器件的硬件结构 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD最早是根据数字电子系统组成最早是根据数字电子系统组成基本单元基本单元-门电路可编程来实现的，门电路可编程来实现的，任何组合电路都可用任何组合电路都可用与门和或门组成与门和或门组成，时序电路可用组合电路加上存储单元，时序电路可用组合电路加上存储单元来实现。早期来实现。早期PLD就是用（可编程的）就是用（可编程的）与阵列与阵列和（可编和（可编程的）程的）或阵列或阵列组成的。组成的。输入缓冲电路与阵列或阵列输出缓冲电路输入输出图图 基本基本PLD器件的原理结构图器件的原理结构图 2021-12-2910PLD电路符号表示电路符号表

7、示图图 常用逻辑门符号与现有国标符号的对照常用逻辑门符号与现有国标符号的对照2021-12-2911F2=B+C+DPLD的逻辑符号表示方法的逻辑符号表示方法1. 输入缓冲器表示方法输入缓冲器表示方法AAA2. 与门和或门的表示方法与门和或门的表示方法固定连接固定连接编程连接编程连接F1=ABC PLD具有较大的与或阵列，逻辑图具有较大的与或阵列，逻辑图的画法与传统的画法有所不同。的画法与传统的画法有所不同。 接入接入PLD内部的与或阵列输入缓冲器电路内部的与或阵列输入缓冲器电路一般采用一般采用互补结构互补结构。 2021-12-2912下图列出了下图列出了“与与”连接的三种特殊情况连接的三种

8、特殊情况:1.输入全编程，输出为输入全编程，输出为0。2.也可简单地对应的与门中画叉，因此也可简单地对应的与门中画叉，因此E=D。3.乘积项与任何输入信号都没有接通，相当与门输出为乘积项与任何输入信号都没有接通，相当与门输出为1。2021-12-2913 下图给出最简单的下图给出最简单的PROM电路图，右图是左图的简化形式。电路图，右图是左图的简化形式。实现的函数为：实现的函数为：BABAF 1BABAF 2BAF 3固定连接点固定连接点（与）（与）编程连接点编程连接点（或）（或）2021-12-2914（1） PLD的分类（课本的分类（课本p42） 只介绍按集成度来分的情况，只介绍按集成度来

9、分的情况， PLD一般可分为两大类器一般可分为两大类器件，如下图示。件，如下图示。可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD )低密度低密度PLD高密度高密度PLDPROMPLAPALCPLDFPGAGAL3.2.2 PLD的分类的分类2021-12-2915 低密度低密度PLD又称为简单又称为简单PLD（SPLD） 低密度低密度PLD通常是指那些集成度小于通常是指那些集成度小于500门门的的PLD。下面将对低密度下面将对低密度PLD情况再分别说明。情况再分别说明。3.2.2 PLD的分类的分类2021-12-29161与阵列固定，或阵列可编程：与阵列固定，或阵列可编程： 可编程只读存储器可编程只读

10、存储器PROM或可擦除编程只读存储器或可擦除编程只读存储器EPROM 低密度低密度PLD基本结构大致相同，根据与或阵列基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类：是否可编程分为三类：2与阵列，或阵列均可编程：与阵列，或阵列均可编程： 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA3与阵列可编程，或阵列固定：与阵列可编程，或阵列固定： 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑、通用阵列逻辑GALABCBCA0 0 00 0 10 1 01 1 1连接点编程连接点编程时，需画一时，需画一个叉。个叉。全译码全译码1可编程只读存储器可编程只读存储器PROM：与阵列固定，或阵列与阵列固定，或阵列可编程

11、可编程2021-12-2918图图 用用PROM完成半加器逻辑阵列完成半加器逻辑阵列与 阵 列 （ 固 定 ）或 阵 列（ 可 编 程 ）0A1A1A1A0A0A1F0F01110100AAFAAAAF2021-12-2919优点：优点： 对于较少的输入信号，组成的与阵列固定、或阵列可对于较少的输入信号，组成的与阵列固定、或阵列可编程的器件中，可以很方便地实现任意组合逻辑函数。编程的器件中，可以很方便地实现任意组合逻辑函数。 价格低、易于编程，没有布局布线的问题，性能完全价格低、易于编程，没有布局布线的问题，性能完全可以预测。可以预测。不足：不足： 输入变量的增加会引起存储容量的急剧上升，只能

12、用于输入变量的增加会引起存储容量的急剧上升，只能用于简单组合电路的编程。简单组合电路的编程。 当输入的数目太大时，器件的功耗增加，巨大的阵列开当输入的数目太大时，器件的功耗增加，巨大的阵列开关时间也会导致其速度缓慢。关时间也会导致其速度缓慢。 采用熔丝结构，一次性编程使用。采用熔丝结构，一次性编程使用。 不可重写、不可擦除不可重写、不可擦除。PROM优缺点的比较：优缺点的比较：2021-12-2920 实际上，大多数组合逻辑函数的最小项实际上，大多数组合逻辑函数的最小项不超过不超过40个，使得个，使得PROM芯片的面积利用率芯片的面积利用率不高，功耗增加。不高，功耗增加。为解决这一问题，考虑与

13、阵列也设计成为解决这一问题，考虑与阵列也设计成可编程形式来实现组合逻辑，由这一设想发可编程形式来实现组合逻辑，由这一设想发明了可编程逻辑阵列明了可编程逻辑阵列（PLA）。2021-12-2921图 PLA逻辑阵列示意图逻辑阵列示意图与 阵 列 （ 可 编 程 ）或 阵 列（ 可 编 程 ）0A1A1A1A0A0A1F0F可编程逻辑阵列器件可编程逻辑阵列器件PLA（Programmable Logic Array)2021-12-2922图图 PLA与与 PROM的比较的比较0A1A1F0F2A2F0A1A1F0F2A2F2021-12-2923PLA优缺点的比较：优缺点的比较： 优点：优点：

14、PLA是根据需要产生乘积项，从而减小了阵列的规模；是根据需要产生乘积项，从而减小了阵列的规模； PLA实现逻辑函数时，运用简化后的最简与或式；实现逻辑函数时，运用简化后的最简与或式； 由于由于“与与阵列阵列”可编程，不存在可编程，不存在PROM中由于输入增中由于输入增加而导致规模增加的问题，能有效节省存储单元加而导致规模增加的问题，能有效节省存储单元不足：不足： 仍采用仍采用熔丝熔丝结构，结构，一次性编程一次性编程使用；使用； 软件算法复杂，编程后器件运行速度慢，只能在小规模软件算法复杂，编程后器件运行速度慢，只能在小规模逻辑电路上应用；逻辑电路上应用； 制作工艺复杂，运行速度慢，相对制作工艺

15、复杂，运行速度慢，相对PROM、PAL而言价而言价格高得多。格高得多。妨碍了妨碍了PLA被广泛使用！被广泛使用！以后又发明了性能价格更加良好以后又发明了性能价格更加良好的器件可编程阵列逻辑的器件可编程阵列逻辑PAL。3. 与编程、或固定与编程、或固定：代表器件代表器件PAL（Programmable Array Logic） 和和GAL（Generic Array Logic）。在这种结构中，或阵列固定若干个乘积项输出。在这种结构中，或阵列固定若干个乘积项输出。 每个交叉每个交叉点都可编程。点都可编程。F1 F1为两个为两个乘积项之和。乘积项之和。2021-12-2925PAL优缺点的比较：优

16、缺点的比较： 优点：优点： “与与阵列阵列”的编程特性使输入项可以增多，而固定的的编程特性使输入项可以增多，而固定的“或或阵列阵列”又使又使器件简化器件简化。这种结构为大多数逻辑函数提。这种结构为大多数逻辑函数提供了较高级的性能，为供了较高级的性能，为PLD进一步的发展奠定了基础。进一步的发展奠定了基础。 工作速度较高。工作速度较高。不足：不足： 器件利用率低器件利用率低，很多的，很多的与与门都参与运作，其寄存器数门都参与运作，其寄存器数目与输入目与输入/输出引线端子有关，使输出引线端子有关，使设计灵活性又受到限制设计灵活性又受到限制。由于其由于其集成密度不高集成密度不高、编程、编程不够灵活不

17、够灵活，且只能，且只能一次编一次编程程，很难胜任功能较复杂的电路与系统。，很难胜任功能较复杂的电路与系统。修改电路需要更换整个修改电路需要更换整个PAL器件，成本太高。器件，成本太高。现在，现在，PAL已被已被GAL所取代所取代。 GAL和和PAL在结构上的区别见下图：在结构上的区别见下图：PAL结构GAL结构适当地为适当地为OLMC进行编程，进行编程，GAL就可以在功能上代替就可以在功能上代替前面讨论过的前面讨论过的PAL各种类各种类型及其派生类型。型及其派生类型。 GAL（Generic Array Logic）是继是继PAL之后具有较之后具有较高性能的高性能的PLD，和，和PAL相比，具

18、有以下特点：相比，具有以下特点：有较高的通用性和灵活性：有较高的通用性和灵活性：它的每个逻辑宏单元可以它的每个逻辑宏单元可以根据根据需要任意组态需要任意组态，既可实现组合电路，又可实现时序电路既可实现组合电路，又可实现时序电路。为逻辑设计提供了较大的灵活性。为逻辑设计提供了较大的灵活性。(2) 100可编程：可编程：GAL采用浮栅编程技术，使采用浮栅编程技术，使与阵列以及逻辑与阵列以及逻辑宏单元可以反复编程宏单元可以反复编程，当编程或逻辑设计有错时，可擦除重新，当编程或逻辑设计有错时，可擦除重新编程、反复修改，直到得到正确的结果，因而每个芯片可编程、反复修改，直到得到正确的结果，因而每个芯片可

19、100编程。编程。(3) 100%可测试：可测试：GAL的宏单元接成时序状态，可以通过测的宏单元接成时序状态，可以通过测试软件对它们的状态进行预置，从而可以随意将电路置于某试软件对它们的状态进行预置，从而可以随意将电路置于某一状态，以缩短测试过程，保证电路在编程以后，对编程结一状态，以缩短测试过程，保证电路在编程以后，对编程结果果100可测。可测。(4) 高性能的高性能的E2COMS工艺：工艺：GAL具有具有高速度、低功耗高速度、低功耗的特的特 点，并且编程数据可保存点，并且编程数据可保存20年以上。年以上。正是由于这些良好的特正是由于这些良好的特性，使性，使GAL器件成为数字器件成为数字系统

20、设计的初期理想器件。系统设计的初期理想器件。GAL器件仍然存在着以下问题：器件仍然存在着以下问题： 时钟必须共用；时钟必须共用； 或的乘积项最多只有或的乘积项最多只有8个；个； GAL器件规模小，达不到单片内集成一个数字系器件规模小，达不到单片内集成一个数字系统的要求；统的要求； 尽管尽管GAL器件有加密的功能，但随着解密技术的器件有加密的功能，但随着解密技术的发展，对于这种阵列规模小的可编程逻辑器件解密已发展，对于这种阵列规模小的可编程逻辑器件解密已不是难题。不是难题。总结各种低密度总结各种低密度PLDPLD的结构的结构特点如下表示特点如下表示可配置可配置固定固定可编程可编程GAL固定固定固

21、定固定可编程可编程PAL固定固定可编程可编程可编程可编程PLA固定固定可编程可编程固定固定PROM输出部分输出部分或阵列或阵列与阵列与阵列名称名称2021-12-2930 低密度低密度PLD的致命缺点是其集成规模太小，一片低的致命缺点是其集成规模太小，一片低密度密度PLD通常只能代替通常只能代替24片中规模集成电路。很难片中规模集成电路。很难满足复杂系统规模和性能的要求。所以低密度满足复杂系统规模和性能的要求。所以低密度PLD器器件基本已被淘汰。件基本已被淘汰。 现在的现在的PLD以大规模、超大规模集成电路工艺制以大规模、超大规模集成电路工艺制造的造的CPLD、FPGA为主。为主。 那么比低密

22、度那么比低密度PLD高级的高密度高级的高密度PLD情况又情况又如何呢如何呢？2021-12-2931现在，现在，FPGA和和CPLD器件的器件的应用已十分广泛，它们随着应用已十分广泛，它们随着EDA技术的发展已成为电子技术的发展已成为电子设计领域的重要角色。设计领域的重要角色。u FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列现场可编程门阵列u CPLD（Complex Programmable Logic Device） 复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件目前主要有两大类型:2021-12-2932 国际上生产国际上生产PLD的主流公司，并且在国内占

23、有市的主流公司，并且在国内占有市场份额较大的主要是场份额较大的主要是Xilinx，Altera，Lattice三家公三家公司司。 公公司司 产品产品 可用门数可用门数XilinxFPGA器件有器件有XC2000、XC3000、XC4000、XC4000E、XC4000XLA、XC5200系列等系列等可用门数为可用门数为120018000AlteraCPLD器件有器件有FLEX6000、FLEX8000、FLEXl0K FLEXl0KE、FLEX3K30、FLEX3K50系列等系列等提供门数为提供门数为5000500000 LatticeISPPLD器件有器件有ispLSI1000、ispLSI

24、2000、ispLSI3000、ispLSI6000系列等系列等集成度可多达集成度可多达25000个个PLD等效门等效门3. PLD的典型产品的典型产品?1）Altera公司提供的通用公司提供的通用PLD系列产品的主要性能见下表。系列产品的主要性能见下表。系列系列代表产品代表产品配置单元配置单元逻辑单元逻辑单元（FF）/个个最大用户最大用户（I/O）/个个速度等速度等级级/nsRAM/位位APEX20KEP20K1000ESRAM422407804540kELEX10KEPFl0K10SRAM4992（5392）406424576ELEX8000EPF8050SRAM4032（4656）360

25、3-MAX9000EPM9560EEPROM560（772）21212-MAX7000EPM7256EEPROM25616010-FLASHlogicEPX8160SRAM/FLASH1601721020480MAX5000EPM5192EPROM19264l-ClassicEPl810EPROM484820- 代表产品是该系列中密度最大或速度最快的一种代表产品是该系列中密度最大或速度最快的一种。 2）Xilinx公司公司在在1985年推出了世界第一块现场可编程年推出了世界第一块现场可编程门阵列（门阵列（FPGA）器件，后又推出许多品种，其中还有三）器件，后又推出许多品种，其中还有三个个CPL

26、D系列产品：系列产品：XC7200、XC7300和和XC9500。它提它提供的通用供的通用PLD系列产品的主要性能见下表。系列产品的主要性能见下表。系列系列代表产品代表产品可用门可用门/个个宏单元宏单元/个个逻辑单元逻辑单元（FF）/个个速度等速度等级级/ns驱动能驱动能力力/mA最大用最大用户户/个个RAM/位位XC2000XC2018L1.0k1.5k10017210474XC3000XC30905.0k6.0k32092864144XC3100XC3195/A6.5k7.5k48413200.98176XC4000XC4063EX62k130k1304527621238473718XC5

27、200XC521514k18k484193648244XC6200XC626464k100k16384163848512262kXC8100XC81098.1 k9.4k26881344124208XC7200XC7272A2.0k7112615872XC7300XC731442.8k144234724156XC9500XC952886.4k28828810241803）Lattice公司成立于公司成立于1983年，发明了年，发明了GAL器件。器件。 Latice公公司目前的器件主要有六个系列：司目前的器件主要有六个系列：pLSI/ispLSI l000、pLSI/ispLSI 2000、pL

28、SI/ispLSI 3000、pLSI/ispLSI 5000、pLSI/ispLSI 6000和和pLSI/ispLSI 8000系列，见下表。系列，见下表。系系 列列代表产品代表产品可用门可用门/个个宏单元宏单元/个个逻辑单元逻辑单元（FF）/个个速度等速度等级级/ns最大用户最大用户（I/O）/个个ispLSI 1000/Eispl488k1922885108ispLSI 1000/E/V/Eisp21928k1921926110ispLSI 3000isp 344820k32067212224ispLSI 5000Visp5512V24k51238410384ispLSI 6000*i

29、sp 619225k19241615159ispLSI 6000Isp884045k84011528.5312 ispLSI 6000* 器件包含器件包含816寄存器寄存器/计数器模块和计数器模块和4KB存储器模块。存储器模块。2021-12-2936 复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件CPLD （Complex PLD）出）出现在现在20世纪世纪80年代末。一般把年代末。一般把限定采用限定采用EPROM（紫外（紫外线可擦除电可编程只读存储器）线可擦除电可编程只读存储器）结构实现较大规模结构实现较大规模（集（集成规模成规模1000门以上）门以上）的的PLD称为称为CPLD 。1.CPLD如何

30、定义如何定义?注：这里所谓的注：这里所谓的“门门”是指等效门（是指等效门（Equivalent Gate），每），每个等效门相当于个等效门相当于4只晶体管。（只晶体管。（Altera公司用可使用门来衡量，公司用可使用门来衡量，每个可使用门约等于每个可使用门约等于2只等效门）只等效门） 3.2.2 复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件(CPLD)2021-12-2937 CPLD是采用乘积项结构的是采用乘积项结构的大规模可编程器件大规模可编程器件的统的统称。以称。以逻辑宏单元逻辑宏单元为基础，加上内部的为基础，加上内部的与或阵列与或阵列和外围和外围的的I/O模块模块。基本结构基本结构包括：包括：

31、可编程逻辑阵列块可编程逻辑阵列块（LAB- Logic Array Block ） 可编程可编程I/O控制块控制块 可编程内部连线阵列可编程内部连线阵列（PIA- Programmable Interconnect Array ）以以Altera公司生产的公司生产的EPM7128S为例，介绍为例，介绍CPLD基基本结构。本结构。2.CPLD（Complex PLD）的基本结构？）的基本结构？ 芯片芯片EPM7128S是是Altera公司生产的高密度、高性能公司生产的高密度、高性能CMOS可编程逻辑器件之一，下图是可编程逻辑器件之一，下图是PLCC封装封装84端子的引脚图。端子的引脚图。 它有它

32、有4个直个直接输入接输入（INPUT） TMS、TDI、TDO和和TCK是在是在系统编程引脚。系统编程引脚。 64个个I/O引脚引脚 芯片芯片EPM7128SEPM7128S的内部结构的内部结构下图是下图是EPM7128S器件结构图：由器件结构图：由8个相似的逻辑阵列块个相似的逻辑阵列块（Logic Array Block,LAB）、一个可编程内连矩阵（）、一个可编程内连矩阵（PIA）和多个输入和多个输入/输出控制块输出控制块(I/O Block)组成。组成。8个个相相似似的的逻逻辑辑阵阵列列块块可可编编程程内内连连矩矩阵阵PIA输输入入/输输出出控控制制块块2021-12-2940逻逻辑辑阵

33、阵列列块块各各LAB通过通过PIA和全局总线连接起来，全局总线又和和全局总线连接起来，全局总线又和PLD的所的所有专用输入引脚、有专用输入引脚、I/O引脚及宏单元馈入信号相连，这样，引脚及宏单元馈入信号相连，这样，LAB就和输入信号、就和输入信号、I/O引脚及反馈信号连接在一起。引脚及反馈信号连接在一起。逻辑阵列块逻辑阵列块Logic Array Block(LAB)2021-12-2941逻逻辑辑阵阵列列块块u 宏单元是宏单元是PLD的基本组成结构，由的基本组成结构，由逻辑阵列逻辑阵列、乘积项选乘积项选择矩阵择矩阵和和可编程寄存器可编程寄存器组成，可实现组成，可实现组合逻辑组合逻辑和和时序逻

34、辑时序逻辑。逻辑阵列块逻辑阵列块Logic Array Block(LAB)2021-12-2942可可编编程程内内连连矩矩阵阵PIAPIA是实现布线的，是实现布线的，LAB通过通过PIA相互连接，实现所需的逻辑功能。相互连接，实现所需的逻辑功能。通过全局总线，器件中的任何信号可达器件中的任意一个地方。通过全局总线，器件中的任何信号可达器件中的任意一个地方。可编程连线阵列可编程连线阵列PIA -Programmable Interconnect Array 2021-12-2943输输入入/输输出出控控制制块块I/O控制块控制块 I/O控制块把每个引脚单独配置成所需工作方式，包括：控制块把每个引脚单独配置成所需工作方式，包括：输入、输