学习-电子系统设计eda讲义

第3章

可编程逻辑器件的工作原理系统总体目标HDL

编程（数电）应用系统性能/算法分析DSP

实现PLD

实现ASIC

实现系统硬件系统DSP

编程算法（Algorithm）结构（Architecture）实现（Implementation）PCB

设计架构建立和分析（模电）集成电路的设计和制造非用户定制IC用户半定制IC用户定制IC用户全定制IC标准集成电路系列组态标准电路用户可再构造标准电路集成电路的分类(按制作方式)集成电路的分类(按集成度)小规模集成电路(SSI:Small

ScaleIntegratedCircuit):逻辑门10个以下或晶体管100以下;中规模集成电路(MSI:Medium):逻辑门

10～100个,晶体管100～1000个;大规模集成电路(LSI:Large):逻辑门100～1000个,晶体管103～104个;集成电路的分类(按集成度)超大规模集成电路(VLSI:Very

Large):逻辑门103～104个,晶体管104～105个;甚大规模集成电路(ULSI:UltraLarge):逻辑门105～106个,晶体管106～107个;巨大规模集成电路(GLSI:Giga

Large):逻辑门106个以上,晶体管107个以上。3.1概述3.1.1可编程逻辑器件的发展早期是只读器：器（PROM）紫外线可擦除只读电可擦除只读器（EPROM）器（EEPROM）其后出现了结构复杂一些的可编程逻辑器件（PLD：Programmable

Logic

Devices）可编程阵列逻辑PAL门（ProgrammableArray

Logic）通用阵列逻辑GAL门（Generic

ArrayLogic）20世纪80年代中期开始出现EPLD：Erasable

Programmable

LogicDevice(类似于PAL门的扩展结构)1985年，

Xilinx公司推出第一个FPGAField

Programmable

Gate

Array目前最主要的可编程逻辑器件有：FPGA：现场可编程门阵列Field

Programmable

Gate

ArrayCPLD：复杂的可编程逻辑器件Complex

Programmable

Logic

Device现场可编程性所谓现场可编程性就是指用户任何时候都可以通过电路板上的

电缆或硬件编程器来修改FPGA/CPLD的配置，以达到修改自己设计的目的。全定制IC

基于单元的IC

基于门阵列的IC高密度的PLD速度集成密度大批量的费用小批量的费用投放市场时间降低风险未来的修改开发工具教学目标几种集成：性能好的性能比较：性能很好3.1.2

PLD厂商及其产品目前比较典型的器件有：Xilinx公司的FPGA/CPLD系列器件Altera公司的FPGA/CPLD系列器件TI公司的TPC系列Lattice公司的ispLSI系列3.1.2

PLD厂商及其产品Xilinx公司创新概念起始于1984年，目标是要将

LSI/VLSI门阵列技术的高逻辑密度和通用性与用户现场可编程部件的设计灵活、上市速度快及成品的有效性结合起来。1985年，Xilinx公司推出了世界上第一个FPGA器件。主要产品:XC3000,XC4000,XC5200,Virtex系列,Spartan系列等。组合逻辑实现方法PT-based:基于乘积项Product

Term-based

Building

BlockLUT-based:基于查找表Look-up

Table-based

Building

Block基于乘积项基于查找表Altera公司主要产品:MAX系列,FLEX系列,APEX系列,Stratix系列和Cyclone系列。MAX系列产品为CPLD结构，编程信息以EEPROM方式保存。FLEX系列、

Cyclone系列产品为FPGA，通过

器单元阵列

编程信息。开发工具：Altera公司主要MAX+PLUS

ⅡQuartusSOPC

BuilderDSP

Builder3.1.3

FPGA和CPLD之间的差别IO

BC

L

BPIL

A

BP

IAL

A

BL

A

BL

A

BL

A

BL

A

BIO

BIO

BIO

BIO

BIO

BIO

BFPGACPLDFPGA与CPLD的不同点逻辑单元的粒度不一样，设计灵活性不同；FPGA

的逻辑门密度比CPLD

高；连线结构不同；时序延迟的特性不同；CPLD更适合于完成各类算法和组合逻辑，而FPGA更适合于完成时序较多的逻辑电路。3.1.4

FPGA/CPLD的优点FPGA/CPLD

的集成度越来越大；研制开发费用相对较低；可以反复编程、擦除和使用；设计周期短；3.1.5

FPGA/CPLD设计的一般流程系统输入源代码文件逻辑综合网表文件前仿真设计输入优化布局布线后仿真配置文件系统输入前仿真设计输入优化后仿真逻辑综合布局布线编译中的功能合并3.2

Xilinx

FPGA

结构简介以Xilinx公司的XC3000系列产品为例XC3000

FPGA结构图IO

B C

L

BPI可配置

器XC3000的结构主要包括四个部分:可编程逻辑块CLB（Configurable

Logic

Block）可编程输入输出模块IOB（Input/Output

Block）可编程

连线PI（Programmable

Interconnect）可配置

器（SRAM阵列）两个创新概念：一、具有逻辑单元阵列结构LCA（LogicCellArray），因此具有门阵列及可编程的双重特性；二、逻辑功能的实现是通过对可配置器的配置来完成的。可编程逻辑块CLBCLB组合逻辑的三种结合方式可编程输入输出模块IOB可编程连线PI3.3

Altera

产品结构简介以Altera公司的FLEX10K系列产品为例FLEX

10K结构图IO

E IO

EIO

E IO

EIO

E IO

EIO

E IO

EIO

E IO

EIO

E IO

EIO

E IO

EIO

E IO

EIO

E IO

EIO

E IO

EIO

E…IO

E…IO

E…IO

E…I/

O

单元（

IO

E

）列连线带行连线带逻辑阵列阵列块（

E

A

B

）局部连线逻辑单元逻辑阵列块1 IO

E81 IO

E8IO

E

18IO

E

18FLEX

10K系列器件主要由四部分组成阵列：由

阵列块（EAB:Embedded

Array

Block）构成逻辑阵列：由一系列的逻辑阵列块（LA