可编程器件基本原理

1、上海大学机电工程与自动化学院上海大学机电工程与自动化学院程志华程志华The Programmable Logic Device Fundamentals56331933/二教109（在系统可编程技术）（在系统可编程技术）可编程器件可编程器件n-CPLD/FPGA2021-10-302PLC简介：简介：-PLD/PIC/PLC?2021-10-303PLDPLD厂商厂商: :(ALTERA(ALTERA，XILINXXILINX，LatticeLattice ) )FPGA的发明者的发明者老牌PLD/FPGA公司，是最大可编程逻辑器件供应商之一九十年代以后发展很快发展很快，是最大可编程逻辑器件供

2、应商之一 在线可编程技术的发明者在线可编程技术的发明者是世界第三大可编程逻辑器件供应商。目前Lattice公司在上海设有研发部门2021-10-304PLDPLD厂商厂商: :( ( Actel/Cypress/Quicklogic/AtmelCypress/Quicklogic/Atmel ) )反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者，由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军军品和宇航品和宇航级上有较大优势。PLD/FPGA不是Cypress的主要业务，但有一定的用户群。一定的用户群。集成硬核集成硬核的FPGA比较有特色。 中小规模中小规模PLD做的不错。2021-10-305

3、可编程器件可编程器件可编程器件及其应用；可编程器件及其应用；可编程器件的地位；可编程器件的地位；可编程器件的教学；可编程器件的教学；实践资源；实践资源；器件著名厂商；器件著名厂商；其他说明；其他说明；02-CPLD/FPGA:可编程逻辑器件的发展历程可编程逻辑器件的发展历程;电子系统设计技术的发展；电子系统设计技术的发展；常用可编程逻辑器件的分类；常用可编程逻辑器件的分类；常用可编程逻辑器件的结构常用可编程逻辑器件的结构;CPLD与与FPGA的比较；的比较；CPLD与与FPGA的设计流程；的设计流程；Altera的常用开发工具；的常用开发工具；可编程逻辑设计技术的发展趋；可编程逻辑设计技术的发

4、展趋；附附-常用的常用的 Altera 产品产品:MaxCycloneStratixHardcopy2021-10-3062021-10-307DE2开发装置介绍开发装置介绍2021-10-308TV Box Application2021-10-309USB Mouse and VGA OUT2021-10-3010Karaoke Machine and SD Music Player2021-10-3011PLD（ The Programmable Logic Device ）如同一张白纸或是一堆积木白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统

5、。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改在线修改能力。随时升级、修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。2021-10-3012实验设备：实验设备：EDA-III/型可编程逻辑器件实验系统型可编程逻辑器件实验系统EDA-III型可编程逻型可编程逻辑器件实验系统辑器件实验系统EDA-型可编程逻型可编程逻辑器件实验系统辑器件实验系统2021-10-3013实验资源：实验资源：数字可编程设计实验数字可编程设计实验1l 组合逻辑电路设计实验组合逻辑电路设计实验译码器/编码器半加器/全

6、加器/全减器多路选择器数据比较器向量乘法器BCD码转换电路l时序电路设计实验时序电路设计实验 计数器扫描显示驱动状态机寄存器/移位寄存器 脉冲发生器/节拍发生器l通用接口电路通用接口电路7段数码管控制接口1616点阵控制接口字符发生器数字时钟设计 A/D、D/A接口 矩阵键盘控制接口 IIC/UART接口液晶接口l存储器设计实验存储器设计实验ROM存储器 SRAM/SDRAM/SSRAM FIFO2021-10-3014l滤波器滤波器多数决定的数字滤波器数字加法滤波器FIR滤波器l综合实验综合实验秒表设计实验电子密码锁设计实验数字电压表设计实验任意波形发生器设计实验虚拟数字示波器设计实验语音采

7、集处理系统实验实验资源：实验资源：数字可编程设计实验数字可编程设计实验2l扩展接口实验扩展接口实验VGA 接口实验UART 及PS/2 口验证实验USB 通信实验SRAM 验证实验2021-10-3015实验资源：实验资源：SOPC可编程设计实验可编程设计实验 NiosII软核的设计 外设模块的设计 SOPC系统的生成 SOPC系统的PIO实验 SOPC系统的定时器实验 基于SOPC的串口与PC机通信实验 基于SOPC的数码管控制实验2021-10-3016实验资源：实验资源：模拟可编程设计实验模拟可编程设计实验 ispPAC芯片增益调整 ispPAC10增益放大与衰减方法 ispPAC10在

8、Single-Ended中的应用 ispPAC10二阶滤波器的实现 ispPAC10高精度阶梯滤波器的设计 使用ispPAC10完成电桥测量 使用ispPAC10实现廉价的温度测量 使用ispPAC20完成电压监测 使用ispPAC20完成温度监测 使用ispPAC80可编程的低通滤波器2021-10-3017常用可编程逻辑器件的分类；常用可编程逻辑器件的分类；常用可编程逻辑器件的结构常用可编程逻辑器件的结构;CPLD与与FPGA的比较；的比较；CPLD与与FPGA的设计流程；的设计流程；Altera的常用开发工具；的常用开发工具；可编程逻辑设计技术的发展趋；可编程逻辑设计技术的发展趋；02-

9、CPLD/FPGA02-CPLD/FPGA02-CPLD/FPGA:2021-10-30182.1常用可编程逻辑器件的分类：常用可编程逻辑器件的分类：CPLDPROMEPROM EEPROMPAL&GALFPGA简单的存储及数字逻辑功能。Programmable Read Only Memory与、或阵列；低功耗、低成本、高可靠、灵活和可重复编程。广泛使用；Lattice， Actel，Atmel，Programmable Array Logic /Generic Array Logic体系结构和逻辑单元灵活，集成度高(密度在数千门之间)，适用范围宽。Altera、Lattice、Xi

10、linx高集成度（数万-数千万系统门），高速，复杂的时序和组合逻辑电路。Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel02-CPLD/FPGA02-CPLD/FPGA常用可编程逻辑器件的分类常用可编程逻辑器件的分类2021-10-30192.2常用可编程逻辑器件的结构（与、或阵列和存储单元）：常用可编程逻辑器件的结构（与、或阵列和存储单元）：2.21 结构工艺结构工艺(EECMOS、 EEPROM、 SRAM、Flash)熔丝编程技术熔丝编程技术ROM的存储矩阵的存储矩阵1011001002-CPLD/FPGA02-CPLD/FPGA常用可编程逻辑器件的结构常用可编程逻辑器

11、件的结构2.22 PAL16L8逻辑图逻辑图(Programmable Array Logic)可编程连接固定连接2.23 GAL22V10逻辑图逻辑图(Generic Array Logic) 2021-10-30202.24 CPLD的基本结构的基本结构(Complex Programmable Logic Device)： 内部结构以可编程的通用逻辑块通用逻辑块（LAB）为基础，密度在数千门之间。 可编程的联线集中在一个全局布全局布线区线区（集总布线区GRP）。 编程原理基于半导体物理结构物理结构，所以断电后编程信息能保存。逻辑阵列块LAB可编程I/O单元辅助功能模块02-CPLD/FP

12、GA02-CPLD/FPGA常用可编程逻辑器件的结构常用可编程逻辑器件的结构2021-10-3021附附1 主流的主流的CPLD - MAX附附-常用的常用的 Altera 产品产品Altera Altera 产品产品 MAXMAX乘积项阵列“与”乘积项选择矩阵“或”附附11乘积项结构乘积项结构PLD的逻辑实现的逻辑实现原原理理图图实现组合逻辑实现组合逻辑F=(A+B)*C*(!D) =A*C*!D + B*C*!D单一宏单元就可以完成单一宏单元就可以完成附附12 MAX3000A的结构（的结构（基于乘积项的基于乘积项的PLD结构结构 ）宏单元I/O控制块可编程连线全局信号2021-10-30

13、222.25 FPGA的基本结构的基本结构 (Field Programmable Gate Array )：SRAM工艺；基本可编程逻辑单元由查找表（查找表（LOOK UP TABLE）和寄存器组成）和寄存器组成。n内部结构以基本门单元为基础，构成门单元阵列单元阵列，密度在上万门之间。n可编程的联线分布在门单元与门单元之间的布线区布线区。这种结构一般称为FPGA（现场可编程门阵列）。n编程原理基于电路的逻辑记忆功能逻辑记忆功能，断电后编程信息消失。02-CPLD/FPGA02-CPLD/FPGA常用可编程逻辑器件的结构常用可编程逻辑器件的结构2021-10-3023附附2 早期的早期的FPG

14、A - FLEX(SRAM工艺的早期工艺的早期FPGA)附附-常用的常用的 Altera 产品产品Altera Altera 产品产品 FLEXFLEX2021-10-3024附附21 FLEX10K系列器件的基本结构系列器件的基本结构内部：逻辑块,布线区外部：I/O口，电源端，复位端，下载口（FLEX10K中有102个I/O口） （TDI，TDO，TMS，NSTATUS）附附-常用的常用的 Altera 产品产品Altera Altera 产品产品 FLEXFLEX附附22 FLEX/ACEX的的Logic Element附附23 查找表结构查找表结构FPGA的逻辑实现的逻辑实现原原理理图图

15、LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。 该电路中该电路中D触触发器是直接利用发器是直接利用LUT后面后面D触发器来实现。触发器来实现。一个一个LUT加上一个触发器就可以完成加上一个触发器就可以完成2021-10-30252.3 CPLD与与FPGA的比较：的比较：02-CPLD/FPGA02-CPLD/FPGACPLDCPLD与与FPGAFPGA的比较的比较2021-10-30262.4CPLD与与FPGA的设计流程：的设计流程：电路设计与输入

16、功能仿真？综合优化布局布线仿真与验证？系统设计电路构思系统设计电路构思加载配置与在线调试优化问题？02-CPLD/FPGA02-CPLD/FPGA设计流程设计流程2021-10-30272.5 常用开发工具（常用开发工具（Altera）：）：02-CPLD/FPGA02-CPLD/FPGA常用开发工具（常用开发工具（AlteraAltera）2021-10-30282.6 可编程逻辑设计技术的发展趋：硬件上：先进工艺处理器内核硬核和结构化ASIC低成本器件软件上：高级设计语言系统级仿真和优化团队协同设计与模 块化设计02-CPLD/FPGA02-CPLD/FPGA可编程逻辑设计技术的发展趋可编

17、程逻辑设计技术的发展趋2021-10-3029Altera的产品分类的产品分类;附附-常用的常用的 Altera Altera 产品产品附附-常用的常用的 Altera 产品产品:MAX与与FLEX；2021-10-3030结构化结构化 ASIC ASIC - HARDCOPY seriesHARDCOPY series主流高端主流高端FPGA - Statix内嵌如高速串行收发器的内嵌如高速串行收发器的FPGA - Statix GX新一带新一带90nm高端高端FPGA - Statix II / Statix III高高密密度度CPLD低低成成本本早早期期主流低成本主流低成本FPGA - Cyclone新一带新一带90nm高端高端FPGA - Cyclone II主流主流CPLD - MAX（32个到个到1024个宏单元个宏单元）CPLD的革命