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文档简介
1、第三讲 PLD结构与原理,3.1 PLD的分类 3.2 PLD的基本结构 3.3 基于乘积项的CPLD结构 3.4 基于查找表的FPGA结构 3.5 其他类型的FPGA和CPLD 3.6 选择CPLD还是FPGA?,3.1 PLD的分类,按集成度分类 按结构特点分类 按编程结构分类,按集成度分类,低密度PLD:PROM,PLA,PAL,GAL 高密度PLD: CPLD,FPGA,按结构特点分类,阵列型的PLD器件(与或阵列) 例:PROM,PLA,PAL,GAL,EPLD,绝大多数CPLD 单元型的PLD器件(逻辑单元) 例:FPGA,按编程结构分类,按编程次数分类 按不同的编程元件和编程工艺
2、划分,第三讲 PLD结构与原理,3.1 PLD的分类 3.2 PLD的基本结构 3.3 基于乘积项的PLD结构 3.4 基于查找表的FPGA结构 3.5 其他类型的FPGA和CPLD 3.6 选择CPLD还是FPGA?,3.2 PLD的基本结构与原理,任何组合逻辑电路均可化为“与或”表达式,用“与门或门”二级电路实现。 任何时序电路又都是由组合电路加上存储元件(触发器)构成的。,PLD的基本结构框图,第三讲 PLD结构与原理,3.1 PLD的分类 3.2 PLD的基本结构 3.3 基于乘积项的CPLD结构 3.4 基于查找表的FPGA结构 3.5 其他类型的FPGA和CPLD 3.6 选择CP
3、LD还是FPGA?,3.3基于乘积项(Product-Term)的PLD结构,采用这种结构的PLD芯片有: 1、Altera的MAX7000, 2、MAX3000系列(EEPROM工艺), 3、Xilinx的XC9500系列(Flash工艺) 4、Lattice,Cypress的大部分产品(EEPROM工艺),CPLD结构,这种CPLD主要包括三块结构: 宏单元(Marocell) 可编程连线(PIA)和 I/O控制块 图 左上的INPUT/GCLK1是全局时钟,清零和输出使能信号,宏单元的具体结构,宏单元内部主要包括与或阵列,触发器和多路选择器等电路,能独立的配置为组合或时序工作方式。 宏单
4、元是CPLD内部最基本的结构,宏单元的具体结构,图左侧是乘积项阵列,实际就是一个与或阵列,每一个交叉点都是一个可编程熔丝,如果导通就是实现“与”逻辑。后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。两者一起完成组合逻辑。,宏单元的具体结构,图右侧是一个可编程D触发器,它的时钟,清零输入都可以编程选择,可以使用专用的全局清零和全局时钟,也可以使用内部逻辑(乘积项阵列)产生的时钟和清零。如果不需要触发器,也可以将此触发器旁路,信号直接输给PIA或输出到I/O脚。,乘积项结构CPLD的逻辑实现原理,下面我们以一个简单的电路为例,具体说明CPLD是如何利用以上结构实现逻辑的,电路如下图:,乘积项结构CPLD的逻
5、辑实现原理,假设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f,则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D + B*C*!D ( 我们以!D表示D的“非”) CPLD将以下面的方式来实现组合逻辑f:,乘积项结构PLD的逻辑实现原理,A,B,C,D由CPLD芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列(PIA),在内部会产生A,A反,B,B反,C,C反,D,D反8个输出。 图中每一个叉表示相连(可编程熔丝导通),所以得到:f= f1 + f2 = (A*C*!D) + (B*C*!D) 。这样组合逻辑就实现了。 电路中D触发器的实现比较简单,直接利用宏单元中的可编程D触发器来实现。,乘积项结构CPLD的逻辑实现原
6、理,时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的全局时钟专用通道,直接连接到可编程触发器的时钟端。 可编程触发器的输出与I/O脚相连,把结果输出到芯片管脚。,CPLD的特点,工艺:EEPROM和Flash工艺制造 原理:乘积项 适合实现组合电路,掉电数据不丢失,无须外接配置芯片,第三讲 PLD结构与原理,3.1 PLD的分类 3.2 PLD的基本结构 3.3 基于乘积项的CPLD结构 3.4 基于查找表的FPGA结构 3.5 其他类型的FPGA和CPLD 3.6 选择CPLD还是FPGA?,3.4 基于查找表(LUT)的FPGA的结构,一.查找表(Look-Up-Table)的原理与结构 1、
7、altera的ACEX,APEX系列 2、xilinx的Spartan,Virtex系列等。,查找表(Look-Up-Table)的原理与结构,查找表(Look-Up-Table)简称为LUT,LUT本质上就是一个RAM。 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。 下面是一个4输入与门的例子:,4输入与门,基于查找表(LUT)的FPGA的结构,下面以xilinx Spartan-II系列的器件为例,阐述FPGA的结构与原理。,xilinx Spartan-II的内部结构,xilinx Spartan-II的内部结构,Spartan-II主
8、要包括: CLBs(Configurable Logic Block) I/O块 RAM块 可编程连线(未表示出),xilinx Spartan-II的内部结构,spartan-II中,一个CLB包括2个Slices,每个slices包括两个LUT,两个触发器和相关逻辑。 Slices可以看成是SpartanII实现逻辑的最基本结构,Slice结构,基于查找表(LUT)的FPGA的结构,altera的FLEX/ACEX等芯片的结构 如下图:,Altera FLEX/ACEX 芯片内部结构,Altera FLEX/ACEX 芯片内部结构,FLEX/ACEX的结构主要包括: LAB(Logic A
9、rray Block) I/O块 RAM块(未表示出) 可编程行/列连线,Altera FLEX/ACEX 芯片内部结构,在FLEX/ACEX中一个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。 LE是实现逻辑的最基本结构。,逻辑单元(LE)内部结构,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:,查找表结构的FPGA逻辑实现原理,该电路的组合逻辑部分正好用1个LUT来实现 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,直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。,FPGA特点,工艺:SRAM 原理:LUT 内部有丰富的触发器,适合实现时序电路,掉电数据丢失,须外接配置芯片,第三讲 PLD结构与原理,3.1 PLD的分类 3.2 PLD的基本结构 3.3 基于乘积项的CPLD结构 3.4 基于查找表的FPGA结构 3.5 其他类型的FPGA和CPLD 3.6 选择CPLD还是FPGA?,3.5 其他类型的FPGA和CPLD,Altera的MAXII系列CPLD Lattice的XP系列FPGA 本质:内部集成了配置芯片的FPGA,第
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