可编程逻辑器件-2课件

1、青岛大学电工电子实验教学中心数字电子技术基础实验多媒体讲义实验九可编程逻辑器件及开发工具、设计语言的使用练习实验目的（1）学习可编程逻辑器件的工作原理。（2）学习可编程逻辑器件开发工具的使用方法。（3）学习可编程逻辑器件设计语言及其编程方法。实验器材1、数字电路实验仪2、可编程逻辑器件（ISPLSI1016）3、计算机4、示波器实验内容1、用逻辑描述法设计一个四选一的数据选择器;2、用真值表描述法设计一个3-8译码器;3、用原理图描述法设计一个移位寄存器;4、用混合输入法设计一个4路数据采集器.可编程逻辑器件简介常见的PLD有CPLD（复杂可编程逻辑器件），FPGA (现场可编程门阵列）等。目

2、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. 按可编程的部位分类：PROM（可编程只读存储器）包括EPROM、EEROM。PLA（可编程逻辑阵列）PAL（可编程阵列逻辑）GAL（通用阵列逻辑）一、可编程逻辑器件（PLD）的分类与阵列或阵列输出电路PROM固定可编程固定PLA可编程可编程固定PAL可编程固定固定GAL可编程固定可组态按可编程的部位分类PROM的阵列结构PLA的阵列结构PAL(GAL)的阵列结构2. 按PLD的集成度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）PROMPL

3、APALGALEPLDCPLDFPGA3. PLD的其它分类方法基本结构为与或阵列的器件，称作PLD。基本结构为门阵列的器件，称作FPGA（Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列）。二、PLD器件的基本结构1. 与或阵列与或阵列的与阵列输入线、乘积项、或门和输出线等在具体器件内是有限的，称作PLD的资源。用PLD设计逻辑函数时，器件的资源是设计的约束条件之一。与或阵列在PLD中只能实现组合电路的功能，PLD的时序电路功能则由包含触发器和寄存器的宏单元实现。例：例：右图的资源有： 3根与阵列输入线 6个乘积项 3根两输入或门输出线2. 逻辑宏单元逻辑宏单元结

4、构具有以下几个作用：提供时序电路需要的寄存器和触发器。提供多种形式的输入/输出形式。提供内部信号反馈。分配控制信号，如：CLK、RESET、EN。三、先进可编程逻辑器件的编程和测试技术。1. 在系统可编程技术（ISP）传统的PLD在用于生产时，是先编程后装配。ispPLD则可以在装配之前、装配过程中和装配之后再编程。微机ispDOWNLOADSoftware（Isp下载软件）ISP器件系统电路板ispDOWNLOAD Cable（Isp下载电缆）2. 边界扫描测试技术随着ASIC（专用集成电路）的规模和复杂性增加，测试难度和费用急剧上升，由此产生了将可测性电路结构做在ASIC芯片上的构想，这就

5、是边界扫描测试技术。符合边界扫描测试技术规范的器件就可以用软件对芯片内部逻辑和边界管脚进行测试。第二讲：Lattice公司的isp1016芯片一、ispLSI 1016的结构和特点ispLSI 1016是ispLSI 1000系列中容量最小的器件，具备5V的在系统编程能力。1. ispLSI 1016的主要特点：集成密度为2000等效门；是电擦写CMOS（EECMOS）器件；有44个引脚，其中32个是I/O引脚，4个是专用输入引脚；最大工作频率 fmax = 125 MHz。2. ispLSI 1016的结构框图引脚图3. ispLSI 1016的结构框图功能框图返回1) 集总布线区GRP（G

6、lobal Routing Pool）该区位于芯片的中央，其任务是将所有片内逻辑联系在一起。2) 万能逻辑块GLB（Generic Logic Block）GLB位于GRP的两边，每边8块，共16块。每个GLB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。GLB结构如下图：GLB结构：GLB的与阵列有18个输入端，其中16个来自集总布线区GRP，2个由I/O单元直通输入。每个GLB有20个与门，形成20个乘积项，再通过4个或门输出。4输出宏单元有4个触发器，可被组态为组合输出或寄存器输出（通过编程组态）。3) 输入输出单元IOC（Input Output Cell）输入输出单元IO

7、C是功能框图最外层的小方块，共32个（IN0 IN31）。该单元有输入、输出和双向I/O三类组态。可通过对控制输入输出三态缓冲器的使能端编程来选择。4) 输出布线区ORP（Output Routing Pool）输出布线区ORP是介于GLB和IOC之间的可编程互连阵列；ORP的输入是8个GLB的32个输出端；ORP的输出有16个，分别与该侧的16个IOC相连；通过对ORP编程，可以将任一个GLB输出灵活地送到16个I/O端的任何一个；在ORP的旁边还有16条通向GRP的总线，I/O单元可以使用，GLB的输出也可以通过ORP使用它，从而方便地实现了I/O端复用的功能和GLB之间的互连。5) 时钟

8、分配网络CDN（Clock Distribution Network）CDN的输入信号由三个专用输入端Y0、Y1、Y2提供；CDN的输出有五个，其中CLK0、CLK1、CLK2提供给GLB，IOCLK0和IOCLK1提供给I/O单元；时钟专用GLB（B0）的四个输出送至CDN，以建立用户定义的内部时钟电路。例如：将外加主时钟由Y0送入作为全局时钟CLK0，此全局时钟通过时钟专用GLB（B0）分频后送至CLK1、CLK2、IOCLK0、IOCLK1，则其它GLB或I/O单元可以工作在较低的频率上。6) 大块结构（Megablock）ispLSI 1016 采用了一种分块结构，每8个GLB连同对应

9、的ORP、IOC等构成一个大块。 此外，每个大块中还包括2个专用输入端，仅供本大块内的GLB使用，靠软件自动分配。ispLSI 1016 共有两个大块。二、isp器件的编程1. 条件： PC机、ISP编程电缆、ISP Download软件。微机ispDOWNLOADSoftware（Isp下载软件）ISP器件系统电路板ispDOWNLOAD Cable（Isp下载电缆）2. 编程接口：串行数据输入SDI（Serial Data In）；串行数据输出SDO（Serial Data Out）；串行时钟SCLK（Serial Clock）；模式选择Mode；整个芯片的使能端ispEN。当ispEN引

10、脚加高电平时，器件处于正常模式。当ispEN引脚加低电平时，器件处于编程状态，所有I/O端的三态缓冲电路皆被禁止而处于高阻状态，从而割断了芯片与外电路的联系，避免了编程芯片与外电路的互相影响。在系统编程接口串行菊花链方式：ispLSI1016ispGDS在系统可编程数字开关ispGALispLSISDO SDI MODE SCLK ispEN5线ISP编程接口第三讲：器件设计一、大规模可编程逻辑器件的设计流程设计输入电路原理图硬件描述语言设计实现优化、合并、映射、布局、布线器件编程功能仿真（前期仿真）时序仿真（后期仿真）器件测试返回1、设计输入（Design Entry）设计输入时，由设计者对

11、器件的逻辑功能进行描述。设计输入有多种表达方式，电路原理图和硬件描述语言（HDL）是最常用的两种方式。在设计输入过程中，常采用层次化设计方法，分模块、方层次地进行设计。一般在顶层设计中，用电路原理图描述各模块之间的连接关系；在底层设计中，用HDL描述模块的逻辑功能。查看设计流程图2、设计实现从设计输入到熔丝图文件的编译过程。优化（Optimization）：化简逻辑，并把逻辑描述转换成最适合在器件中实现的形式。合并（Merging）：把模块化设计产生的多个文件合并为一个网络表文件。映射（Mapping）：把设计划分为若干逻辑小块，以便适合用器件内部资源实现。查看设计流程图布局（Placemen

12、t）：将已分割的逻辑小块放到器件内部逻辑资源的具体位置，并使他们之间的连线最少。布线（Routing）：利用器件的布线资源完成各功能模块之间和反馈信号的连接。生成编程数据文件（熔丝图JEDEC文件）：对设计文件编译，生成可供器件编程使用的数据文件。查看设计流程图3、器件编程将编程数据文件下载到具体的ispPLD器件中，对在系统可编程器件的编程不需要编程器。查看设计流程图4、设计校验功能仿真：验证逻辑功能。时序仿真：验证器件内部各逻辑模块之间的时序、定时关系。器件测试：运用边界扫描测试技术，对编程后的器件进行测试。二、DATA I/O公司的Synario软件介绍和基本操作Synario软件的安装

13、： （略）Synario软件的安装： （略）2. Synario软件环境：启动 ISP Synario 软件。二、DATA I/O公司的Synario软件介绍和基本操作启动Synario首先进入项目导航器窗口（Project Navigator）。File - Open Example项目导航器窗口。项目源窗口源过程窗口Tach.syn所包含的项目源。项目标题设计说明文件器件测试向量文件顶层设计电路图底层设计模块器件源对应的过程。测试向量源对应的过程。顶层电路图源对应的过程。底层设计模块源（ABLE文件源）对应的过程。1. Synario软件的安装： （略）2. Synario软件环境：启动

14、ISP Synario 软件。二、DATA I/O公司的Synario软件介绍和基本操作3. 基本命令：项目导航器基本命令 1. 项目命令。项目导航器基本命令 2. 源命令 Source-New项目导航器基本命令 2. 源命令 Source-Open项目导航器基本命令 2. 源命令 Source-Open项目导航器基本命令 2. 源命令 Source-Open项目导航器基本命令 2. 源命令 Source-Open项目导航器基本命令 3. 过程命令 Process - Start项目导航器基本命令 3. 过程命令 Process - Start项目导航器基本命令 3. 过程命令 Process

15、 - View项目导航器基本命令 3. 过程命令 Process - View项目导航器基本命令3.过程命令Process -Properties项目导航器基本命令 3.过程命令Process -Properties项目导航器基本命令 3.过程命令 Process - Log1. Synario软件的安装： （略）2. Synario软件环境：启动 ISP Synario 软件。二、DATA I/O公司的Synario软件介绍和基本操作3. 基本命令：4. Synario环境下开发ispLSI器件的流程：建立设计文件项目说明文件 器件选择 测试向量 顶层电路图 下层电路图 下层ABEL文件处理

16、设计文件连接、编译和优化 查看报告和输出文件 文件调试 为器件适配产生文件设计适配（布局和布线）对器件进行编程功能仿真时序仿真4. Synario环境下开发ispLSI器件的流程：三、设计输入、设计实现和设计仿真1. 创建一个新项目。1.创建新项目、建目录。1.创建新项目、建目录。1.创建新项目、建目录。1.创建新项目、建目录。三、设计输入、设计实现和设计仿真1. 创建一个新项目。2. 输入电路图。2.输入电路图。2.输入电路图。2.输入电路图。2.输入电路图绘图按钮介绍。添加器件按钮相当于Add - Symbol2.输入电路图绘图按钮介绍。添加连接导线按钮相当于Add - Wire2.输入电

17、路图绘图按钮介绍。添加连接总线按钮2.输入电路图绘图按钮介绍。标注器件或模块名称按钮相当于Add - Instance Name2.输入电路图绘图按钮介绍。标注网络名称按钮相当于Add - Net Name2.输入电路图绘图按钮介绍。I/O Marker（输入/输出标记）按钮相当于Add - I/O Marker2.输入电路图绘图按钮介绍。引脚属性按钮相当于Add - Pin Attribute（一般情况下可不使用）2.输入电路图绘图按钮介绍。器件属性按钮相当于Add - Symbol Attribute（一般情况下可不使用）2.输入电路图绘图按钮介绍。网络属性按钮相当于Add - Net A

18、ttribute（一般情况下可不使用）2.输入电路图绘图按钮介绍。复制按钮相当于Edit - Duplicate2.输入电路图绘图按钮介绍。移动按钮相当于Edit - Move2.输入电路图绘图按钮介绍。拖拽（橡皮筋）按钮相当于Edit - Drag2.输入电路图绘图按钮介绍。旋转按钮相当于Edit - Rotate2.输入电路图绘图按钮介绍。翻转（镜像）按钮相当于Edit - Mirror2.输入电路图绘图按钮介绍。擦除按钮相当于Edit - Delete2.输入电路图绘图按钮介绍。这五个按钮和Windows中的画笔功能一致。2.输入电路图绘图按钮介绍。加亮按钮：突出显示某个网络（连线）。2.输入电路图DEMO电路图_摆放元件。2.输入电路图DEMO电路图_连线。2.输入电路图DEMO电路图_给元件命名。2.输入电路图DEMO电路图_给网络（连线）命名。2.输入电路图DEMO电路图_标注接口信号类型。三、设计输入、设计实现和设计仿真1. 创建一个新项目。2. 输入电路图。3. 输入ABEL文件。3.输入ABEL文件。3.输入ABEL文件。3.输入ABEL文件。3.输入ABEL文件。3.输入ABEL文件。三、设计输入、设计实现和设计仿真1. 创建一个新项