电子技术基础数字部分第六康华光CPLD和FPGA共节PPT学习教案

1、会计学1电子技术基础数字部分第六康华光电子技术基础数字部分第六康华光CPLD和和FPGA共节共节8.1 复杂可编程逻辑器件(CPLD)简介1. 逻辑块逻辑块2. 可编程内部连线3. I/O单元第1页/共20页8.1 复杂可编程逻辑器件(CPLD)简介与PAL、GAL相比，CPLD的集成度更高，有更多的输入端、乘积项和更多的宏单元； 每个块之间可以使用可编程内部连线(或者称为可编程的开关矩阵)实现相互连接。 CPLD器件内部含有多个逻辑块，每个逻辑块都相当于一个GAL器件;第2页/共20页 逻辑块 逻辑块 逻辑块 逻辑块 逻辑块 逻辑块 逻辑块 逻辑块 1. 逻辑块逻辑块 可 编 程 内 部 连

2、 线 矩 阵 I/O I/O 逻辑块是逻辑块是CPLD实现逻辑功能的核心模块。实现逻辑功能的核心模块。第3页/共20页逻辑块内部的可编程连线区I/O单元乘积项阵列乘积项分配宏单元MacrocellPI通用的CPLD器件逻辑块的结构（1）可编程乘积项阵列）可编程乘积项阵列第4页/共20页（2）乘积项分配和宏单元GAL中的乘积项是固定的，对应一个宏单元。但逻辑块中的乘积项可以编程，分配到不同的宏单元。灵活性大大提高。CPLD中的宏单元与GAL中的类似。第5页/共20页2. 可编程内部连线可编程内部连线的作用是实现逻辑块与逻辑块之间、逻辑块与I/O块之间以及全局信号到逻辑块和I/O块之间的连接。 连

3、线区的可编程连接一般由E2CMOS管实现。可编程连接原理图 内部连线 宏单元或I/O 连线 E2CMOS 管 T 当E2CMOS管被编程为导通时，纵线和横线连通；未被编程为截止时，两线则不通。第6页/共20页I/O单元是CPLD外部封装引脚和内部逻辑间的接口。每个I/O单元对应一个封装引脚，对I/O单元编程，可将引脚定义为输入、输出和双向功能。 3. I/O单元 到其他到其他 I/O 单元单元 输入缓冲输入缓冲 输出缓冲驱输出缓冲驱动动 VCCINT D1 D2 VCCIO I/O 1 0 M 到到内内部部可可编编程程连连线线区区 OUT PTOE 来来自自宏宏单单元元 全全局局输输出出使使能

4、能 可编程可编程接地接地 可编程可编程 上拉上拉 摆率摆率控制控制 到其他到其他 I/O 单元单元 r r r OE 数据选择器提供OE号。OE=1, I/O引脚为输出第7页/共20页8.2 现场可编程门阵列(FPGA)8.2.1 FPGA实现逻辑功能的基本原理实现逻辑功能的基本原理8.2.2 FPGA结构简介第8页/共20页8.2现场可编程门阵列(FPGA)CPLD用可编程“与-或”阵列实现逻辑函数。编程基于E2PROM或快闪存储器。FPGA是用查找表(LUT)实现逻辑函数。复杂函数使用众多的LUT和触发器实现。编程基于SRAM。第9页/共20页 某函数某函数 L 的真值表的真值表 A B

5、L 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 Y=L S0 S1 01 10 11 A B 实现实现 L 的的 LUT 编程 M0 M1 M2 M3 00 Y S0 S1 01 10 11 2 输入 LUT 8.2.1 FPGA实现逻辑功能的基本原理实现逻辑功能的基本原理 LUT是是FPGA实现逻辑函数的基本单元。实现逻辑函数的基本单元。2输入输入LUT可实现可实现任意任意2变量组合逻辑函数。变量组合逻辑函数。4个SRAM存储单元 目前目前FPGA中的中的LUT大多是大多是45个输入，个输入，1个输出。当变量个输出。当变量数超过一个数超过一个LUT的输入数时，需要将多个的

6、输入数时，需要将多个LUT扩展使用。扩展使用。第10页/共20页 LUT扩展扩展-用用2输入输入LUT实现函数实现函数21FFCBABF A B F1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 B C F2 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 F1 F2 F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 函数 F 的真值表 B C 0 1 0 0 F2 F1 F2 0 1 1 1 F B A C F A B 0 0 0 1 F1 已编程 FPGA 的一部分 F1=ABF2=BCF=F1+F2 在在LUT的基础上增加触发器便可实现时序电路。的基础上增加触发器便可实现时序电路。

7、第11页/共20页8.2.2 FPGA结构简介结构简介 FPGA包括：可编程逻辑块、可编程互联开关、可编程包括：可编程逻辑块、可编程互联开关、可编程I/O模块。模块。 I/O 块 I/O 块 I/O块 I/O块 逻辑块互联开关I/O第12页/共20页1. 可编程逻辑块可编程逻辑块4输入LUTD触发器可编程数据选择器第13页/共20页 G-LUT BY SR CLK CE Q0 F-LUT D EC Rd Q Sd I4 I3 I2 I1 O I4 I3 I2 I1 O FFX Q1 0Q D EC Rd Q Sd FFY 0101QQQQ 0 1 1 0 1 0 逻辑块编程实现 2 位二进制计

8、数器 Q1nQn0Q1n+1(D1) Q0n+1(D0 )00010110101111002位二进制状态转换表位二进制状态转换表0001011 QDQQQQD 得用可编程逻辑块实现用可编程逻辑块实现2位二进制计数器。位二进制计数器。第14页/共20页2. I/O块块输出控制输入将引脚编程为输入、输出和双向功能。将引脚编程为输入、输出和双向功能。第15页/共20页3. 可编程连线资源可编程连线资源可编程开关实现逻辑块与逻辑块之间，逻辑块与连线之可编程开关实现逻辑块与逻辑块之间，逻辑块与连线之间，逻辑块与间，逻辑块与I/O之间等的连接。之间等的连接。 纵向连线 M 横向连线 横向连线 纵向连线 M

9、 M M M M M 纵横交叉互联开关两种典型的互联开关结构如图。两种典型的互联开关结构如图。6路互联开关第16页/共20页8.3 可编程逻辑器件开发过程简介 逻辑电路设计 设计输入 逻辑综合 功能仿真 适配 定时仿真 编程 （下载） 编程数据装载 (FPGA) 根据要求设计逻辑电路用原理图或HDL描述输入计算机电路图连线检查。逻辑化简、优化逻辑功能仿真。不满足要求需重新设计根据特定芯片，生成编程数据包含延时信息的时序仿真将编程数据写入芯片可编程器件的一般开发过程第17页/共20页8.3 可编程逻辑器件开发过程简介 CPLD采用CMOS E2PROM工艺制造，编程后，即使切断电源，其逻辑也不会消失，且可以在系统编程（ISP特性）。 FPGA的LUT由数据选择器和SRAM构成，切断电源后，其逻辑会消失。所以FPGA需要外部的PROM保存编程数据。每次通电，自动将PROM中的编程数据装载到FPGA中。 为什么FPGA需要编程数据装载？第18页/共20页计算机根据用户编写的源程序运行开发系统软件，产生相应的编程数据和编程命令，通过五线编程电缆接口与芯片连接。 将电缆接到