数字系统设计与EDA技术 第3章 可编程逻辑器件.ppt

1、第3章 可编程逻辑器件,本章要点 可编程逻辑器件的分类和符号 Altera公司的可编程逻辑 康芯GW48-PK2实验开发平台,3.1 概述,3.1.1 PLD的特点和分类 1.PLD的特点 1）集成度高、可靠性好。 2）工作速度快。 3）提高系统的设计灵活性。 4）缩短设计周期。 5）增加系统的保密性能。,可以通过编程改变逻辑门连接关系的集成电路芯片就是可编程逻辑器件（PLD），现已成为设计数字系统的理想器件。,2. PLD的分类 从器件结构上看，目前使用的可编程逻辑器件都是由输入缓冲电路、与阵列、或阵列和输出电路四部分组成。根据结构特点可以将PLD划分为简单PLD（SPLD）、复杂PLD（C

2、PLD）和现场可编程门阵列（FPGA）3类。,3.1.2 PLD的编程工艺,1简单PLD的编程工艺 :简单PLD采用熔丝（Fuse）编程工艺，其原理是在器件可以编程的互连节点上设置有相应的熔丝。 2CPLD的编程工艺 :CPLD器件采用可重复的编程工艺，主要有EPROM（可擦除的ROM）、E2PROM（可电擦除的ROM）和Flash ROM（闪速擦除的ROM）工艺。,3FPGA的编程工艺 :FPGA器件常用的编程工艺主要有反熔丝 (Antifuse)和静态存储器（SRAM）两种。Actel公司的FPGA采用反熔丝工艺，Xilinx公司的FPGA采用SRAM工艺。,3.1.3 PLD中阵列的表示

3、方法,1缓冲器和连接点 缓冲器和连接点的表示方法如图所示。,从图中可以看出PLD有3种连线连接方式：连线交叉点处为实点标记，表示固定连接、交叉点为标记表示编程连接、连线交叉但无标记的表示没有连接。,2与门和或门,a）与阵列,b）或阵列,3.1.4 简单可编程逻辑器件,1可编程只读存储器（PROM） PROM最初是作为计算机存储器设计和使用的，后来才被用作PLD。PROM的内部结构是固定的与阵列和可编程的或阵列，如图所示。,PROM的内部结构示意图,例如 和 的逻辑关系，可以用PROM实现，如图所示,用PROM表示的逻辑关系,PROM是一种速度快、成本低、编程容易的PLD，能够实现随机逻辑置换、

4、译码器、编码器、错误检测与校正、查找表和分布算法等。但当输入信号的数目较多时，其与阵列的规模会变得很大，从而导致器件成本升高、功耗增加、可靠性降低等问题出现。,2可编程逻辑阵列（PLA）,PLA的内部结构示意图,PLA的与阵列和或阵列都可编程，任何组合函数都可以用PLA来实现。虽然PLA的利用率较高，可是需要逻辑函数的最简与或表达式，对于多输出函数需要提取、利用公共的与项，涉及的软件算法比较复杂，尤其是多输入和多输出的逻辑函数，处理上更加困难。,3可编程阵列逻辑（PAL）,PAL的内部结构示意图,与阵列可编程、或阵列固定的结构避免了PLA存在的软件算法复杂问题，运行速度也有所提高。从PAL的结

5、构可知，各个逻辑函数输出化简，不必考虑公共的乘积项。送到或门的乘积项数目是固定的，大大简化了设计算法，同时也使单个输出的乘积项数量有限。,4通用阵列逻辑（GAL） GAL具有电可擦除重复编程的特点，彻底解决了熔丝型可编程器件的重复可编程问题。GAL在与、或阵列结构上沿用了PAL的与阵列可编程、或阵列固定的结构，但对PAL输出的I/O结构进行了较大改进，在GAL的输出部分增加了输出逻辑宏单元OLMC（Output Logic Macro Cell）。 GAL的OLMC单元设有多种组态，可配置成专用组合输出、双向组合输出、寄存器输出、寄存器双向输出等。,GAL的特性如下： 1）通用性和应用灵活性较

6、高。 2）可重复编程。 3）性能可测试。,3.2 Altera公司的可编程逻辑器件,3.2.1 Altera公司的 CPLD Altera公司的CPLD器件主要有Classic系列、MAX 3000系列、MAX 5000系列、MAX 7000系列和MAX 9000系列，这些器件系列都具有可重复编程的功能，Classic系列和MAX 5000系列采用EPROM（紫外线擦除的可编程存储器）工艺；MAX 3000、MAX 7000、MAX 9000系列采用E2PROM（电可擦除可编程存储器）工艺。由于MAX 7000系列在国内应用较为广泛，其结构具有一定的代表性。,1MAX 7000系列 MAX 7

7、000系列是Altera公司销售量最大的产品，属于高性能、高密度的CPLD。在结构上包含逻辑阵列块（LAB）、宏单元、扩展乘积项、可编程连线阵列（PIA）和I/O控制块。 MAX 7000系列包含6005000个可用门、32256个宏单元、44208个用户I/O管脚、管脚到管脚最短延迟为5.0ns，计数器最高工作频率可达178.6MHz。,2Classic系列 Classic系列是Altera公司最早的产品系列，其集成度可达900可用门、68个管脚。工业标准的Classic系列由一个具有公共互连逻辑的阵列构成，适合于集成度低、价格便宜的场合使用。,3MAX 3000系列 MAX 3000系列的

8、集成度范围为6005000可用门、32256个宏单元、34158个可用I/O管脚。MAX 3000器件提供JTAG接口，支持ISP，其器件组合传输延迟时间快至4.5ns，16位计数器频率可达192.3MHz。,4MAX 5000系列 MAX 5000系列广泛应用于需要高级组合逻辑的低成本场合，其集成度为6003750可用门、28100个可用I/O管脚。MAX 5000器件采用EPROM技术，其编程信息不易丢失，可用紫外光进行擦除。,5MAX 9000系列 MAX 9000系列集高效宏单元和延迟可预测的快速通道互连结构于一体，器件的集成度为600012 000可用门、320560个宏单元及多达2

9、16个用户I/O管脚。MAX 9000系列器件适用于高性能、在系统可编程的系统级功能设计。,3.2.2 Altera公司的 FPGA,Altera公司的FPGA器件主要有FLEX 10K系列、FLEX 6000系列、FLEX 8000系列、Cyclone系列、Stratix系列、ACEX 1K系列和APEX 20K系列等。在编程工艺上，这些系列都采用SRAM（静态随机存储器）工艺。 1FLEX 10K系列 FLEX 10K是Altera公司于1998年推出的第一个集成了嵌入式阵列块（EAB）的PLD，由于其具有高密度、低成本、低功率等特点，成为Altera公司PLD中应用前景最好的器件系列之一

10、。FLEX 10K系列把连续的快速通道互连与独特的嵌入式阵列结构相结合，同时还结合了众多可编程器件的优点来完成普通门阵列的宏功能。在结构上，FLEX 10K主要由嵌入式阵列（EA）、逻辑阵列（LA）、快速通道（Fast Track）和输入输出单元（IOE）四部分组成。,2FLEX 6000系列 FLEX 6000系列为大容量设计提供了一种低成本可编程的门阵列。每个逻辑单元（LE）含有一个四输入查找表、一个寄存器以及作为进位链和级联链功能的专用通道。 FLEX 6000系列提供16 00025 000个可用门、13201960个LE及117218个用户可用I/O管脚。此外，FLEX 6000能够

11、实现在系统重配置并提供多电压I/O接口。 3FLEX 8000系列 FLEX 8000系列适合于需要大量寄存器和I/O管脚的应用系统。该系列器件的集成度为250016000可用门、2821500个寄存器以及78208个用户可用I/O管脚。FLEX 8000能够通过外部配置E2PROM或智能控制器进行在系统配置。FLEX 8000还提供了多电压I/O接口，允许器件接在以不同电压工作的系统中。,4Stratix系列 Stratix系列是Altera公司于2002年2月推出的PLD器件，内嵌的存储单元有：可配置成移位寄存器的512比特小容量RAM（M512）、4K比特容量的标准RAM（M4K）和51

12、2K比特的大容量RAM（Mega RAM），这三种存储单元都自带奇偶校验。具有增强时钟管理和锁相环能力，最多可有40个独立的系统时钟管理区和12个锁相环。内嵌乘加结构的DSP块，适用于高速数字信号处理。 5Cyclone 系列 Cyclone系列是Altera公司成本最低的FPGA，集成逻辑单元291020060个，支持多种I/O标准，最多两个锁相环，共有六个输出和层次化的时钟结构，为复杂设计提供了强大的时钟管理电路。,6ACEX 1K系列 ACEX 1K系列器件将查找表（LUT）与嵌入式阵列块（EAB）结合起来，提供了一种具有高效管芯的低成本结构。在EAB实现RAM、ROM、双端口RAM或F

13、IFO功能的同时，基于查找表的逻辑阵列能优化数据通路和寄存器。这些单元使ACEX 1K系列产品适用于复杂的逻辑功能和存储功能的应用场合，如数字信号处理、宽带数据通路控制、数据传输和微处理器等方面。 7APEX 20K系列 该系列器件是一种多核结构，集查找表（LUT）、乘积项（PT）和嵌入式存储器（ESB）于一体。这种特性有利于将处理器、存储器及接口等功能的各种子系统集成在单个芯片上。APEX 20K系列芯片的主要特点是：高密度、可低功耗运行、灵活的时钟管理、先进的互连结构等。,3.2.3 CPLD与FPGA的选用 Altera公司的CPLD和FPGA都是由逻辑单元、I/O单元和互连三部分组成。,1逻辑单元 CPLD中的逻辑单元是大单元，其变量数可以多达二十几个。 FPGA逻辑单元是小单元，每个单元有12个触发器，