1可编程逻辑器件概述

1、第一章可编程逻辑器件概述 哈尔滨工业大学(威海) 信息工程学院电子工程系 第一章 可编程逻辑器件概述 1. PLD发展概述2. PLD分类3. PLD可编程原理4. 可编程逻辑产品介绍5. CPLD/FPGA编程原理6. CPLD/FPGA 结构简介7. FPGA与CPLD区别附录1. PLD发展概述专用集成电路 ASIC (application specific integrated Circuit )概念: 广义概念-专门为某一应用领域或为专门用户需要而设计、制造的LSI或VLSI电路，它可以将某些专用电路或电子系统设计在一个芯片上，构成单片集成系统。 狭义概念- 它是根据某一用户的特定

2、要求，能以低制作成本、短交货周期供货的半定制、定制电路以及PLD和FPGA电路。 带来的结果-“今天的线路板就是明天的专用电路”1. PLD发展概述ASIC发展原因: 通用的、标准的集成电路已不能完全适应电子系统的急剧变化和更新换代。各个电子系统厂家都希望生产出具有自己特色的合格产品，只有ASIC产品才能达到这种要求。这也就是自80年代中期以来，ASIC得到广泛重视的根本原因。ASIC发展带来的结果: ASIC电路的蓬勃发展推动着设计方法和设计工具的完善，同时也促进着系统设计人员与芯片设计人员的结合和相互渗透。1. PLD发展概述20世纪70年代中期出现了可编程逻辑阵列（PLAProgramm

3、able Logic Array）器件 20世纪70年代末美国AMD公司率先推出了可编程阵列逻辑（PALProgrammable Array Logic）器件20世纪80年代初Lattic公司发明了通用阵列逻辑（GALGeneric Array Logic）器件 20世纪80年中期Altera公司一种新型的可察除、可编程逻辑器件（EPLDErasable Programmable Logic Device）1985年Xilinx公司首家推出了现场可编程逻辑（FPGAField Programmable Gate Array）器件 20世纪80年末期Lattice公司提出了在系统可编程技术之后，

4、相继出现一系列具备在系统可编程能力的复杂可编程逻辑器件（CPLDComplex PLD）20世纪90年以后高密度PLD在生产工艺 ,集成CPU核，DSP核，PLL核等。过百万门。1. PLD发展概述2. PLD分类集成电路（IC）integrated circuitASIC application specific integrated Circuit掩膜版图layout集成度等效门（gate equivalent)特征尺寸feature sizeFPGAfield programmable gate array 现场可编程门阵列SOCsystems-on-a-chip 片上系统基本概念2.

5、PLD分类PROM（Programmable Read Only Memory）可编程只读存储器PLA（Programmable Logic Array）可编程逻辑阵列PAL（Pragrammable Array Logic）可编程阵列逻辑GAL（Generic Array Logic）通用阵列逻辑器件EPLD（Erasable PLD）可擦除编程逻辑器件FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂的可编程逻辑器件SOPC（ System On Programmable

6、Chip） 基本概念2. PLD分类按集成度(PLD)分类2. PLD分类2. PLD分类可编程逻辑器件大致的演变过程按时间分类按结构分类：乘积项结构器件查找表结构器件按编程工艺分：熔丝型器件反熔丝型器件EPROM型EEPROM型SRAM型FLASH型2. PLD分类PLD的逻辑符号表示方法与门乘积项2. PLD分类PROM结构与阵列为全译码阵列，器件的规模将随着输入信号数量n的增加成2n指数级增长。因此PROM一般只用于数据存储器，不适于实现逻辑函数。EPROM和EEPROM2. PLD分类用PROM实现组合逻辑电路功能实现的函数为：固定连接点（与）编程连接点（或）2. PLD分类PLA结构

7、PLA的内部结构在简单PLD中有最高的灵活性。2. PLD分类PAL结构与阵列可编程使输入项增多，或阵列固定使器件简化。或阵列固定明显影响了器件编程的灵活性2. PLD分类AnBnCnAnBnCnAnBnCnAnBnCnAnBnAnCnBnCn用PAL实现全加器2. PLD分类GAL结构GAL器件与PAL器件的区别在于用可编程的输出逻辑宏单元（OLMC）代替固定的或阵列。可以实现时序电路。逻辑宏单元OLMCPROM原理3. PLD可编程原理 数据地址D0D10000011010101101与阵列(不可编程)或阵列(可编程)A0A1A2A3W0W1W2W3F0F1F2F3半加器逻辑:F0= A0

8、 A1 + A0 A1 F1= A0 A1w0= A0 A1 w1= A0 A1w2= A0 A1 w3= A0 A1F0= D0(w0) +D0(w1) +D0(w2) +D0(w3)F1= D1(w0) +D1(w1) +D1(w2) +D1(w3)简单PLD原理 典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以， PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能 3. PLD可编程原理简单PLD原理 3. PLD可编程原理比如实现F0= A0 A1 + A0 A1 F1= A0 A14. 可编程逻辑产品介绍排名 公司 销售额(亿)美金占

9、有率 1Altera 5.96 30.1 2Xilinx 5.74 29.0 3Vantis 2.20 11.1 4Lattice 2.18 11.0 5Actel 1.39 7.0 6Luccent 0.85 4.3 7Cypress 0.44 2.2 8Atmel 0.42 2.1 9Philips 0.28 1.4 10Quicklogic 0.24 1.2 最大的PLD生产厂家最大的PLD供应商之一FPGA的发明者，最大的PLD供应商之一ISP技术的发明者提供军品及宇航级产品4. 可编程逻辑产品介绍4. 可编程逻辑产品介绍4.1 Altera公司FPGA和CPLD器件系列 ACEX系列

10、FPGA MAX系列CPLD Cyclone系列FPGA低成本FPGA Cyclone II系列FPGA Stratix II 系列FPGA 4. 可编程逻辑产品介绍4.2 Lattice公司CPLD器件系列 4.3 Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列 Virtex-4系列FPGA Spartan& Spartan-3 & Spartan 3E器件系列 XC9500 & XC9500XL系列CPLD 5. CPLD/FPGA编程原理CPLD基于乘积项原理FPGA基于查找表原理乘积项原理同之前的PLD编程原理查找表（Look-Up-Table)简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。

11、 目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。 PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM, 每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。 5. CPLD/FPGA编程原理查找表的基本原理N个输入的逻辑函数需要2的N次方的容量的SRAM来实现，一般多于输入的查找表采用多个逻辑块级连的方式5. CPLD/FPGA编程原理6. CPLD/FPGA 结构简介五个部分：逻辑阵列块、宏单元、扩展乘积项、可编程连线阵列和I/O控制块。 FLEX 10K内部结构 6. CP

12、LD/FPGA 结构简介LE逻辑:一个LAB包括8个逻辑单元（LE）,每个LE包括一个LUT，一个触发器和相关的相关逻辑。 6. CPLD/FPGA 结构简介编程举例这个电路是一个很简单的例子，只需要一个LUT加上一个触发器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。 6. CPLD/FPGA 结构简介FPGA资源介绍6. CPLD/FPGA 结构简介FPGA资源介绍6. CPLD/FPGA 结构简介FPGA基于SRAM的架构，集成度高，以LE（包括查找表、触发器及其他）为基本单元，有内嵌Memory、DSP等，支持IO标准丰

13、富。具有易挥发性，需要有上电加载过程。在实现复杂算法、数据处理、中有广泛应用。CPLD基于EEPROM工艺，集成度低，以MicroCell（包括组合部分与寄存器）为基本单元。系统断电时编程信息也不丢失 ，可以重复写入。地址译码、简单控制、FPGA加载等设计中有广泛应用。 7 FPGA与CPLD区别7 CPLD与FPGA的区别CPLDFPGA内部结构ProducttermLookup Table程序存储内部EEPROMSRAM，外挂EEPROM资源类型组合电路资源丰富触发器资源丰富集成度低高使用场合完成控制逻辑能完成比较复杂的算法速度慢快其他资源EAB，锁相环保密性可加密一般不能保密FPGA采用

14、SRAM进行功能配置，系统掉电后，SRAM中的数据丢失。需外加EPROM，系统每次上电自动将数据引入SRAM中。CPLD器件一般采用EEPROM存储技术，可重复编程，并且系统掉电后，EEPROM中的数据不会丢失，适于数据的保密。7 CPLD与FPGA的区别FPGA器件含有丰富的触发器资源，易于实现时序逻辑，如果要求实现较复杂的组合电路则需要几个CLB结合起来实现。CPLD的与或阵列结构，使其适于实现大规模的组合功能，但触发器资源相对较少。7 CPLD与FPGA的区别FPGA为细粒度结构，FPGA内部有丰富连线资源，CLB分块较小，芯片的利用率较高。CPLD为粗粒度结构。CPLD的宏单元的与或阵

15、列较大，通常不能完全被应用，且宏单元之间主要通过高速数据通道连接，其容量有限，限制了器件的灵活布线，因此CPLD利用率较FPGA器件低。7 CPLD与FPGA的区别FPGA为非连续式布线，FPGA器件在每次编程时实现的逻辑功能一样，但走的路线不同，因此延时不易控制，要求开发软件允许工程师对关键的路线给予限制。CPLD为连续式布线。CPLD每次布线路径一样，连续式互连结构消除了分段式互连结构在定时上的差异，并在逻辑单元之间提供快速且具有固定延时的通路。CPLD的延时较小。7 CPLD与FPGA的区别EPM7 128 S L C 8410EPM7：产品系列为EPM7000系列128：有128个逻辑

16、宏单元S：电压为5V，AE为3.3V，B为2.5VL：封装为PLCC，Q代表PQFP等C：商业级（Commercial）070度，I：工业级（Industry），4085度M：军品级（Military），55125度84：管脚数目10：速度级别ALTERA具体型号含义7 CPLD与FPGA的区别ALTERA具体型号含义EP3C25E144C8NEP3表示3代，C25E表示型号 144指的是pin的个引脚，C表示商用，8是速度等级，最慢的，速度等级6是最快的，7在中间 N表示有铅无铅EP3 C25E 144 C 8N7 CPLD与FPGA的区别管脚的定义特殊功能的管脚电源脚VCC和GND，VCC一般分为VCCINT和VCCIO两种JTAG管脚：实现在线编程和边界扫描配置管脚（FPGA）：由EEPROM配置芯片信号管脚专用输入管脚：全局时钟、复位、置位可配置其功能为：输入、输出、双向、三态7 CPLD与FPGA的区别在系统编程技术ISP(In System Program)7 CPLD与FPGA的区别附录:元件常见的封装形式常见元件封装1BGA球栅阵列封装 2CSP芯片缩放式封装 3COB板上芯片贴装 4COC瓷质基板上芯片贴装 5MCM多芯片模型贴装 6LCC无引