PLD是可编程逻辑器件

PLD/FPGA新手入门PLD是可编程逻辑器fl*（ProgramableLogicDevice）的简称,FPGA是现场可编程门阵列（FieIdProgramab1eGateArray）的简称，两者的功能基木相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGAoPLD是电子设il领域中垠具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代氓片机的发明和使用。PLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲,PLD能完成任何数字器件的功能.上至高性能CP-下至简做的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是映件描述语言自由的设汁一个数字系统。通过软件仿真.我们可以事先验证设讣的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力.随时修改设计而不必改动硕件电路「使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设讣时间，减少PCB而积，提疵系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动fEDA软件和硕件描述语言（HDL）的进步。如何使用PLD呢？其实PLD的使用很简也学习PLD比学习单片机要简单的多，有数字电路基础，会使用计算机•就可以进行PLD的开发。不熟悉PLD的朋友.可以先看一看可编程逻辑器件的发展历乩开发PLD需要「解两个部分:1・PLD开发软件2.PLD木身1.PLD开发软件由于PLD轶件已经发展的相、”|完善，用户甚至可以不用详细了解PLD的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或HDL语言来完成相、勺优秀的PLD设汁。所以对初学者，首先应了解PLD开发软件和开发流程。了解PLD的内部结构，将有助干提高我们设讣的效率和可靠性。如何获得PLD开发软件软件呢？许多PLD公司都提供免费试用版或演示版（为然商业版大都是收费的），例如：可以免费从上下载Altera公司的QuartusII（web版），或向其代理商索取这套牧件。X】1inx公司也提供免费软件：ISEWebPack,这套可以从ihnx网站下箪戈。Lattice提供isplevcrBase版下载，Act"等公司也都有类似的免费软件提供。以上免费软件都需要在网上注册申请License文件，如果您对Liecnse的安装还有不清楚，请仔细阅读相关网页上的说明.也可以下载这篇文档：EDA软件的1icense管理与安装。通常这些免费软件已经能够满足一般设计的需要肖然，要想软件功能更强大一些， 只能购买商业版软件。如果您打算使用VHDL或VerilogHDL换件描述语言来开发PLD/FPGA.通常还需雯使用一些专业的HDL开发软件，这是因为FPGA厂商提供的软件的HDL综合能力一般都不是很强，需要其他软件来配合使川.详细情况可以通过浏览:开发软件栏目获得等多信息.对干PLD产品，一般分为：基干乘枳项（Product-Term）技术,EEPR0M（或Flash）1：艺的中小规模PLD,以及基

于查找表（Look-Uptable）技术,SRAM工艺的大规模PLD/FPGA。EEPR0M工艺的PLD密度小,多用于5,000门以下的小规模设计，适合做复杂的组合逻辑・如译码。SRAM工艺的PLD（FPGA）,密度高，融发器多,多用于10.000门以上的大规模设计，适合做复杂的时序逻辑，如数字信号处理和各种算法。如希望进一步了解PLD/FPGA结构与原理，请点击此处。目前有女家公司生产CPLD/FPGA点大的三家是：ALTERA-XILINX,Lattice/您可以参阅PLD匚商栏目获得更多信息2.PLD/FPGA的分类和使用在PLD/FPGA开发软件中完成设讣以后，软件会产生一个昴终的褊程文件（如・pof）o如何将编程文件烧到PLD芯片中去呢？1.对于基于乘积项（Product-Term）技术，EEPROM（或Flash）J：艺的PLD（ft）A1tera的MAX系列,Lattice的大部分产品,Xilinx的XC9500,Coo1runner系列）.厂家提供编程电缆，电缆一端装在计算机的并行打印口上，另一端接在PCB板上的一个十芯插头,PLD芯片有四个管脚（编程脚）与插头相连。（如图）下载ALTERA下载ALTERA编程电缆（ByteblasterMV）的数据手册下栽Xilinx编程电缆的电路原理图下载Lattice的电缆资料它向系统板上的器件提供配迓或编程数据，这就是所谓的在线可褊程（ISP,如下图）。Byteb1aster使用户能够独立地配宜PLD器件.而不需要褊程器或任何其它褊程换件。编程电缆可以向代理商购买，也可以根据厂家提供的褊程电缆的原理图自己制作成木仅需一，:十元。早期的PLD是不支持ISP的，它们需要用编程器烧写。目前的PLD都可以用ISP在线编程，也可用褊程湍编程。这种PLD可以加密，并且很难解密，所以常常用于单板加密。MountUnprogrammedProgramIn-SystemReprogramintheField1.将PLD焊在PCB板上 2.接好编程电缆 3.现场烧写PLD芯片2对于基于查找表 （LUT,Look-Uptable）技术,SRAM匚艺的FPGA（$11Altera的所有FPGA,如ACEX.Cyclone,Stratix系列.Xi1inx的所有FPG扎如SpartamVirtex系列，Lattice的EC/ECP系列等），由于SRAM工艺的特点■掉电后数据会消失•踞此调试期间可以用下载电缆配宜PLD器件.调试完成后，需要将数据固化在一个专用的EEPROM中（用通用编程器烧写.也有一些可以用电缆直接改写儿上电时.由这片配SEEPROM先对FPGA加载数扯十几个亳秒到几百个亳秒后.FPGA即可正常上作° (亦可由CPU配置FPGA)。但SRANL工艺的PLD一般不可以直接加密。3还有一种反熔八.(Anti-fuse)技术的FPGA,illActel,Quicklogic的部分产品就采用这种工艺。但这种的PLD是不能重复擦写，需要使用专用编程器，所以开发过程比较麻烦.费用也比佼昂商。但反熔丝技术也有许多优点:布线能力更强.系统速度更快，功耗更低,同时抗辐射能力强，耐痈低温，可以加密，所以在一些有特殊要求的领域中运用较多，如军事及航空航天。为了解决反熔丝FPGA不可重复擦写的问题,Actel等公司在90年代中后期开发了基于Flash技术的FPGA,如ProASIC系列，这种FPGA不需要配置，数据直接保存在FPGA芯片中，用户可以改写(但需要10几伏的高电任)。随着技术的发展.在2004年以后.一些厂家推出了一些新的PLD和FPGA.这些产品模糊了PLD和FPGA的区别。例如AlteraM的MAXII系列PLD,这是一种基干FPGA(LUT)结构.集成配宜芯片的PLD,在木质上它就是一种在内部集成了配迓芯片的FPGA,但由于配宜时间极短，上电就可以上作，所以对用户来说，感觉不到配宜过程，可以传统的PLD一样使用，加上容址和传统PLD类似，所以altera把它归作？1。。还有像Lattice的XP系列FPGA,也是使用了同样的原理■将外部配置芯片集成到内部，在使用方法上和PLD类似但是因为容址大，性能和传统FPGA相同，也是LUT架构.所以Lattice仍把它归为FPGA.怎么样?对PLDFPGA的使用有了一定的r解J'吧,如有疑问，可在木站论坛：新于入口栏目上提出上提出大家一起讨论。PLD/FPGA结构与原理初步(二)一.查找表(Look-Up-Table)的原理与结构采用这种结构的PLD芯片我们也可以称之为FPGA:如altera的ACEX,APEX系列,xilinx的Spartan,Virtex系列等。查找农(Look-Up-Table)简称为LUT,LUT本质上就是个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每个LUT可以看成个有4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了个逻辑电路以后，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，这样，每输入个信号进行逻辑运算就等于输入个地址进行查 表，找出地址对应的内容，然后输出即可。下而是个4输入与门的例了，实际逻辑电路LUT的实现方式

3I > 4 >OUt地址线ahI6xlMGLUT)输出JI2—、c d a,b,c,d输入逻辑输出地址RAM中存储的内容000000000000010000l0.•••6•••0mil111ll二基于查找表山顶］的FPGA的结构我们看看xilinxSparIan-II 的内部结构，如下图：COUT□□□□□□□aoDDOOOOOOOODDDDOFCINCExiIinxSpartan-II 芯片内部结构Slices结构Spartan-II主要包括CLBs,I/O块,RAM块和可编程连线（未茨示出〉。在spartan-II中，个CLB包括2个Slices,每个slices包括两个LUT,两个触发器和相关逻辑。SIices可以看成是Sparlanll实现逻辑的最基本结构（xilinx其他系列，如SpartanXL,Virtex的结构与此稍有不同，具体请参阅数据手册）alte2的FLEX/ACEX等芯片的结构如下图：珈单元Cefujm ImefconnecJ LABB1每个LAB由8个雕单元鼻珈单元Cefujm ImefconnecJ LABB1每个LAB由8个雕单元鼻fkLABASLABA4aIteraFLEX/ACEX芯片的内部结构aIteraFLEX/ACEX芯片的内部结构Cirryin查找表dataldata2data3data4Iabc«ri1l8bCBt2ChipWd©KesetlabcM3latx«4Uart-UpTabtoCorry3DChain洁零和置位逻辑Ctoi*

Proset

LogicOodkSotoct全局时钟Carry-OiMCMMdM-Outwww.£Cirryin查找表dataldata2data3data4Iabc«ri1l8bCBt2ChipWd©KesetlabcM3latx«4Uart-UpTabtoCorry3DChain洁零和置位逻辑Ctoi*

Proset

LogicOodkSotoct全局时钟Carry-OiMCMMdM-Outwww.£逻辑单元(LE)内部结构FLEX/ACEX的结构主要包括LAB,I/O块，RAM块(未衣示出)和可编程行/列连线。在FLEX/ACEX中，个LAB包括8个逻辑单元(LE),每个LE包括个LUT,个触发器和相关的相关逻辑。LE是FLEX/ACEX芯片实现逻辑的最基本结构(altera其他系列，如APEX的结构与此基本相同，具体请参阅数据手册)二.查找表结构的FPGA逻辑实现原理我们还是以这个电路的为例:OUT我们还是以这个电路的为例:OUTA,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到到LUT.LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现r-该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，宜接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3所示电路的功能。(以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预)这个电路是个很简单的例子，只需要个LUT加上-个触发器就可以完成。对于个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。由于LUT主耍适合SRAME艺生产，所以目前人部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAMX艺的芯片在掉电后信息就会丢失，-定需要外加片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。也有少数FPGA采用反熔幺幺或FlashE艺,对这种FPGA，就不需要外加专用的配置芯片。三其他类型的FPGA和PLD随着技术的发展，在2004年以后，-些厂家推！BY-些新的PLD和FPGA，这些产品模糊了PLD和FPGA的区别。例如A1tera