第二章 PLD硬件特性

第二章PLD硬件特性与编程技术1主要内容PLD概述与分类PLD工作原理FPGA工作原理硬件测试技术CPLD/FPGA的编程与配置2PLD概述与分类（什么是PLD？）ProgrammableLogicDevices（可编程逻辑器件）设计一个数字电路系统，最终都可用“与-或”表达式表示该系统的电路结构基本PLD器件的原理结构图3PLD分类按集成度分按内部结构分按工艺分简单PLD：PROM、PLA、PAL、GAL复杂PLD:CPLD、FPGA乘积项结构器件：大部分PLD和CPLD查找表结构器件：大部分FPGA熔丝：一次编程反熔丝：一次编程EPROM：紫外线擦除，多次编程EEPROM：电擦写多次编程SRAM：查找表结构，多次编程，掉电丢失FLASH：多次编程，掉电不丢失4PLD编程原理及其结构发展电路符号56PROM7PLD的编程阵列及缺点缺点：与阵列固定，全译码器在输入变量增多时，工作效率低下。不存在寄存器单元，只能完成组合逻辑电路8PLA的结构及其对PLD的改进对PLD的改进：与或阵列均可编程，利用率提高新的不足：与或阵列均可编程，造成编程算法的复杂依然没有解决的不足：不能实现时序逻辑9PAL的结构及其对PLA的改进对PLA的改进：1、与阵列可编程，或阵列不可编程，效率提高，算法简单。2、在逻辑阵列后加入了存储单元电路，能够实现时序逻辑电路。1011GAL（主要是在PLD工艺上的改进）在工艺上的改进：PROMPLA采用熔丝型工艺，一次可编程PALGAL采用EEPROM工艺，可多次编程在结构上的改进：对I/O接口做了改进，实现多种输入输出逻辑12CPLD的结构和工作原理CPLD内部结构：LAB（逻辑阵列块）实现基本的逻辑功能PIA（可编程连线）编程连线和信号传递I/O控制模块输入输出控制13LAB内部结构一个LAB由16个宏单元组成每个宏单元相当于一个简单的PLD器件，包括3个功能模块：

逻辑阵列：相当于与阵列，产生乘积项

乘积项选择矩阵：相当于或阵列，选择相应的乘积项到或门或异或门

可编程寄存器：用以实现时序逻辑电路14FPGA的结构和工作原理（查找表结构）LAB、I/O块、RAM块可编程行/列连线一个LAB包括8个逻辑单元（LE）LE是实现逻辑的最基本结构

15LE的内部结构16LE的内部结构每个LE包括一个LUT（LookUpTable），一个触发器和相关的相关逻辑。LUT结构和原理：RAM中事先写好了所有可能的逻辑对应的输出结果四个输入作为地址连线到LUT，通过地址查找相应的结果数据输出17查找表结构查找表结构中，在FPGA器件中下载电路结构时，存放的不是电路的结构图，而是通过电路的结构图，生成的一个输入输出逻辑对应表。18A0000000011111111B0000111100001111C0011001100110011D0101010101010101Y0000001000100010Y19多输出的处理办法将一个4输入1输出的查找表分为两个3输入1输出的表格来存放。20CPLD与FPGA的不同

基于SRAM结构，集成度高内嵌Memory，DSP，更适合时序电路FPGA延时不可测编程更灵活功耗小

基于EEPROM工艺，集成度低

更适合各种算法和组合逻辑电路CPLD延时可测速度更快保密性好21硬件测试技术JTAG边界扫描测试：主要用于测试外部引脚连线，也可以捕获内部信号内部逻辑测试：可测性设计（DesignForTest，DFT）主要用于芯片内部逻辑测试（内部寄存器）硬件测试22CPLD/FPGA编程与配置什么是编程配置？将已经设计好的硬件电路的网表文件通过编程器或编程电缆下载到CPLD/FGPA器件中，形成真正的硬件电路的过程编程配置的方法：JTAG方式的在系统编程（CPLD）使用PC并行口配置FPGA（FPGA）23FPGA/CPLD产品概述生产FPGA/CPLD的公司主要有：LatticeXilinxAlteraActel24Lattice最早推出PLD的公司，发明了ISP技术以中小规模PLD为特色开发工具略逊一筹主要产品：ispMACH4000系列CPLDEC,EP系列FPGA25XilinxFPGA发明者，最大的提供商之一与Altera公司匹敌，共同占据了可编程逻辑器件60%以上的市场以欧美用户居多主要产品：

Virtex-4系列FPGASpartanII&Spartan-3&Spartan3E系列FPGAXC9500&C9500XL系列CPLD26Altera著名PLD生产商，占据行业领先地位高性价比，高集成度，强大的开发工具，丰富的IP，在九十年代后迅速崛起的商家以日本和亚太用户居多主要产品：

StratixII系列FPGAACEX系列FPGA