第二章大规模可编程逻辑电路电子科技大学

1、1第二章第二章 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述第二章第二章 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法2.5 FPGA2.5 FPGA和和CPLDCPLD的选用的选用2.4 Altera Cyclone IV 2.4 Altera Cyclone IV 系列器件概述系列器件概述2.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述22.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述DOWNTOP物理实现：物理实现：工艺相关工艺相关抽象：符合抽象：符合思

2、考习惯思考习惯3 传统数字系统传统数字系统 由固定功能标由固定功能标准集成电路准集成电路74/5474/54系系列、列、40004000、45004500系系列构成。设计灵活列构成。设计灵活性小性小, , 芯片种类多，芯片种类多，数目大。数目大。 现代数字系统现代数字系统 仅由三种标准积木块仅由三种标准积木块构成：微处理器、存贮器构成：微处理器、存贮器和和 PLDPLD。即。即 CPU+RAM+CPU+RAM+PLDPLD模式。模式。PLDPLD的是其中的是其中的桥梁。的桥梁。2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述4Information Entertainment System

3、: Internet, Music, Navigation, Game,DVD, Email, 2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述562.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述20世纪世纪70年代年代20世纪世纪80年代年代20世纪世纪90年代至今年代至今PROM 和和PLA 器件器件FPLA 器件器件GAL器件器件FPGA器件器件EPLD 器件器件CPLD器件器件内嵌复杂内嵌复杂功能模块功能模块的的SOCPLA 器件器件77070年代初：年代初：PROMPROM、 PLA_Programmable Logic ArrayPLA_Programmable Logic

4、 Array （第一代）；（第一代）；7070年代末：年代末：AMD AMD 公司推出公司推出PAL_Programmable PAL_Programmable Array Logic Array Logic2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述一、一、PLDPLD的发展进程的发展进程88080年代中：年代中：XilinxXilinx公司推出公司推出 FPGA_Field FPGA_Field Programmable Gates Array Programmable Gates Array； AlteraAltera公司推出公司推出EPLD_Erasable EPLD_Eras

5、able Programmable Logic Device Programmable Logic Device；近年近年 PLDPLD的发展：的发展： 密度：单片达密度：单片达20002000万系统门以上万系统门以上 速度：达速度：达600MHz600MHz以上以上 线宽：已达线宽：已达 22 nm22 nm，属甚深亚微米技术，属甚深亚微米技术 （VDSMVDSMVery Deep Sub MicrometerVery Deep Sub Micrometer）2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述9二、二、PLDPLD产品的特点：产品的特点：2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可

6、编程逻辑器件概述109.17.99/2Density Leadership1998 1999 2000 2001 2002VirtexXCV1000Density (system gates)10M GatesIn 2002Virtex-EXCV3200EVirtex Architecture Extends to 10 Million System Gates4M3M1M10MVirtex-II2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述112.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述122.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述132.1 2.1 可编程逻辑器件概

7、述可编程逻辑器件概述142.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述152.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述Altera公司的SOPC: Stratix / II/ III/IV/V系列16CLB/速度等级 驱动能力 最大用RAM宏单元（ns）（mA）户I/O（位）XC2000XC2018L1.0K1.5K10017210474XC3000XC30905.0K6.0K32092864144XC3100XC3195/A6.5K7.5K48413200.98176XC4000XC4063EX62K130K2304537621238473728XC5200XC521514K1

8、8K484193648244XC6200XC626464K100K16384 163848512262KXC8100XC81098.1K9.4K26881344124208XC7200XC7272A2.0K7212615872XC7300XC731443.8K144234724156XC9500XC952886.4K2882881024180系列代表产品可用门FF2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述172.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述182.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述19Xilinx公司的公司的FPGA (SOC): Virtex-IV

9、 内部时钟内部时钟550MHz 等价逻辑单元等价逻辑单元330000 DSP DSP 运行速率运行速率 500MHz Xilinx公司的公司的FPGA (SOC): Virtex-IV 片内片内RAM 10RAM 10Mb2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述20速度等级最大（ns）I/OispLSI1000/Eisp10488k1922885108ispLSI2000/E/V isp21928k1921926110ispLSI3000isp344820k32067212224ispLSI5000Visp5512V 24k51238410384ispLSI6000isp61922

10、5k19241615159ispLSI8000isp884045k84011528.5312FF系列代表产品 可用门宏单元2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述21PLD 的最新进展：2007.3 Altera发布65 nm的高性能、低成本的FPGA：CycloneIII。2008.3 Altera发布40 nm的高性能、大容量的FPGA：Stratix IV。2009.2 Xilinx发布40 nm的高性能、大容量的FPGA： Virtex-6， 及45 nm的高性能、低成本的FPGA：Spartan-6。 2010.4 Altera发布28 nm的高性能、大容量的FPGA：S

11、tratix V。 2010.6 Xilinx发布28 nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-7。2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述222010 2010 年年 2 2 月月 23 23 日日可编程行业龙头可编程行业龙头Xilinx 28 Xilinx 28 纳米技术及架构发布纳米技术及架构发布为了达到绿色技术要求，大量产品在不惜一切努力为了达到绿色技术要求，大量产品在不惜一切努力降低功耗，在此关键时刻，降低功耗，在此关键时刻，FPGA FPGA 产业转向采用产业转向采用 28 28 纳米工艺技术。纳米工艺技术。FPGA FPGA 只有满足低功耗和高性能的要只有满足低

12、功耗和高性能的要求，才能成为片上系统求，才能成为片上系统 (SOC) (SOC) 开发的理想选择。开发的理想选择。 2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述PLD 的最新进展：2010.4 Altera发布28 nm的高性能、大容量的FPGA：Stratix V。2010.6 Xilinx发布28 nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-7。232.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述24线宽互连延时占系统延时比例0.6um30%0.5um50%0.35um70%三、近年三、近年 PLDPLD的发展热点的发展热点 2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概

13、述252 2、 在系统可编程技术（在系统可编程技术（ISPISP）2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述262.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述在系统可编程技术（在系统可编程技术（ISPISP）27从仓库提取器件进半成品库对器件编程贴标签提取特定器件焊接电路板电路板测试编程及电路板测试焊接电路板从仓库提取器件2 2）ISPISP技术简化生产流程比较：技术简化生产流程比较：ISPISP技术对缩短生产周期，加快产品上市极为重要。技术对缩短生产周期，加快产品上市极为重要。ISP工艺流程2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述28设计设计修改方便，产品面市速度

14、快，减少原材料成本，提高器件及板级的可测试性。制造减少制造成本，免去单独编程工序，免去重做印刷电路板的工作，大量减少库存，减少预处理成本，提高系统质量及可靠性。现场服务/支持提供现场系统重构或现场系统用户化的可能，提供遥控现场升级及维护的可能2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述294 4）ISPISP的进一步发展：的进一步发展：2.1 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述30D=ABCPLD中常用的符号中常用的符号2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法31G=A+B+C（IV）连接符号）连接符号固定连接固定连接编程连接编程连接不连接不连接PLD中常

15、用的符号中常用的符号2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法固定连接固定连接编程连接编程连接32图中（图中（a）和（）和（b）是等效的，只是（）是等效的，只是（b）省略了控制线，）省略了控制线，它们表示由用户编程确定输出是它们表示由用户编程确定输出是A还是还是B。图（。图（c）表示）表示编程控制的三选一多路器。编程控制的三选一多路器。PLD中常用的符号中常用的符号2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法33可编程连接点可编程连接点2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法34PLA与与 PROM的比较的比较0A1A1F0F2A2F0A1

16、A1F0F2A2F与阵列可编程与阵列可编程或阵列可编程或阵列可编程或阵列可编程或阵列可编程与阵列固定与阵列固定一、一、“与或阵列与或阵列”2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法352.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法36PLD低密度的PLD，如PLA、PROM、PAL、GAL高密度的PLD（HDPLD）1 1、根据器件密度分为：根据器件密度分为：2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法372 2、根据器件互连结构、逻辑单元结构分为：、根据器件互连结构、逻辑单元结构分为：2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法

17、382.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法39A0 A1F0 F1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1用查找表完成半加器逻辑用查找表完成半加器逻辑+F0A0A10110+F1A0A1100001110100AAFAAAAF400000010100000101161RAM输入A输入B输入C输入D查找表输出多路选择器四输入查找表四输入查找表412.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法42积积项项线线2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法43CPLDCPLD的逻辑单元：的逻辑单元：2.2 PLD2.2 PLD

18、的种类及分类方法的种类及分类方法44与 阵 列 （ 固 定 ）或 阵 列（ 可 编 程 ）0A1A1A1A0A0A1F0F用用PROM完成半加器逻辑阵列完成半加器逻辑阵列01110100AAFAAAAFA0 A1F0 F1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1451 1）结构上的不同）结构上的不同2 2）集成度的不同）集成度的不同 CPLDCPLD：500 - 50000500 - 50000门；门； FPGAFPGA：1K 1K 10 M 10 M 门门 3 3）应用范围的不同）应用范围的不同 CPLDCPLD逻辑能力强而寄存器少（逻辑能力强而寄存器少（1K1K左右

19、），左右）， 适用于适用于控制密集型系统控制密集型系统；FPGAFPGA逻辑能力较弱但逻辑能力较弱但 寄存器多（寄存器多（100100多多K K），适于），适于数据密集型系统数据密集型系统。4 4）使用方法的不同）使用方法的不同 2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法46 FPGA FPGA和和CPLDCPLD的区别的区别定义定义FPGA现场可变成门阵列现场可变成门阵列 CPLD复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件 结构结构1 1、逻辑单元主体为由静态、逻辑单元主体为由静态存储器（存储器（SRAMSRAM）构成的函）构成的函数发生器，即查找表。数发生器，即查找表。2 2、

20、内部采用不同长度的、内部采用不同长度的分段式互连结构内部延迟分段式互连结构内部延迟时间不固定。时间不固定。1 1、逻辑单元主要由、逻辑单元主要由“与或与或阵列阵列”构成，采用构成，采用EEPROMEEPROM工工艺。艺。2 2、内部采用长度固定的连、内部采用长度固定的连续式互连结构，内部延迟时续式互连结构，内部延迟时间固定。间固定。集成集成度度 1K 1K 100 M 100 M 门门 500 - 50000 500 - 50000门门 应用应用 范围范围FPGAFPGA逻辑能力较弱但逻辑能力较弱但 寄存器多寄存器多(100(100多多K),K),适适于数据密集型系统于数据密集型系统CPLDC

21、PLD逻辑能力强而寄存器少逻辑能力强而寄存器少(1K(1K左右左右),),适用于控制适用于控制( (逻辑逻辑) )密集型系统密集型系统使用使用方法方法 需要外带需要外带ROMROM473 3、PLDPLD根据可编程特性分为：根据可编程特性分为：4 4、PLDPLD根据编程元件分为根据编程元件分为熔丝型开关；熔丝型开关；可编程低阻电路元件；可编程低阻电路元件；EPROMEPROM；EEPROMEEPROM；SRAMSRAM；2.2 PLD2.2 PLD的种类及分类方法的种类及分类方法482.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述一个二维的逻辑块阵列，一个二维的逻

22、辑块阵列，构成了构成了PLDPLD器件的逻辑核心器件的逻辑核心连接逻辑块的互连资源，连接逻辑块的互连资源，用于逻辑块之间、逻辑块用于逻辑块之间、逻辑块与输入与输入/ /输出块之间的连接输出块之间的连接49输入/输出块互连资源逻辑块(逻辑阵列）2.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述50CPLDCPLD的的基本逻基本逻辑单元辑单元如：如：EPM7128EPM71282.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述512.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述522.3 Altera2.3 Alter

23、a可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述MAXMAXIIMAX9000MAX7000MAX5000ClassicFLEXAPEX IIAPEX20KFLEX10KFLEX8000FLEX6000CPLDCycloneI, II, III, IV,VStratixI, II, III, IV,VFPGA高端高端顶尖的性能顶尖的性能顶尖的价格顶尖的价格功耗大功耗大FPGA中低端中低端成本低成本低功耗低功耗低性能不低性能不低FPGA早期早期532.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述MAXMAX VMAX IIMAX9000MAX7000MAX5000Classic

24、542.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述FLEXStratix VStratix IVCyclone IIIStratix IIICyclone IIStratix IICycloneStratixAPEX IIAPEX20KFLEX10KFLEX800055器件系列逻辑单元结构连线结构工艺APEX20K查找表连续SRAMFLEX10K查找表连续SRAMFLEX8000查找表连续SRAMFLEX6000查找表连续SRAMMAX9000乘积项连续EEPROMMAX7000乘积项连续EEPROMMAX5000乘积项连续EPROMClassic乘积项连续EPR

25、OM2.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述56器件系列用户I/O引脚可用门APEX20K997801000001000000FLEX10K13557010000250000FLEX800078208250050000FLEX6000812181600024000MAX9000159216600012000MAX7000362126005000MAX500028100600375Classic22683009002.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述572.3 Altera2.3 Altera可编程逻辑器件概述可编程逻辑

26、器件概述582.4 Cyclone 2.4 Cyclone 系列器件概述系列器件概述59Cyclone 系列器件资源系列器件资源2.4 Cyclone 2.4 Cyclone 系列器件概述系列器件概述60逻辑阵列块逻辑阵列块(LAB)(LAB) 嵌入式阵列块嵌入式阵列块(EAB)(EAB) Fast TrackFast Track I/OI/O单元单元2.4 Cyclone 2.4 Cyclone 系列器件概述系列器件概述61 每个LAB包含16个LE 624输入LUT可编程寄存器全局信号全局信号进位链进位链63Fast TrackFast Track组成：组成： 行连线带、行连线带、 列连线带列连线带 特点：特点： 快速、布线快速、布线 延迟可预测延迟可预测, , 灵活性稍差。灵活性稍差。64Xilinx XC4000Xilinx XC4000系列的布线资源系列的布线资源65（四）嵌入式阵列块（四）嵌入式阵列块EAB（Embedded Array Block） 每个每个M9K块包含块包含8192位（包含校验位为位（包含校验位为9216位）位） 每个块包含一个独立的读和写使能信号每个块包含一个独立的读和写使能信号2.4 Cyclone 2.4 Cyclone 系列器件概述系列器件概述EABEAB结构：结构：是个高密是个高密度存储体，度存储体，存储的宽