VHDL课件第2章

1、第2章 大规模可编程逻辑器件2.1 可编程逻辑器件概述 2.2 Lattice公司的CPLD和FPGA器件 2.3 Altera公司的CPLD和FPGA器件 2.4 Xilinx公司的CPLD和FPGA器件 2.5 CPLD和FPGA的编程与配置 2.6 FPGA和CPLD的开发应用选择 第第2 2章章 大规模可编程逻辑器件大规模可编程逻辑器件 第2章 大规模可编程逻辑器件可编程逻辑器件(Programmable Logic Devices，简称PLD)是一种由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。它诞生于20世纪70年代，在20世纪80年代以后，随着集成电路技术和计算机技术的发展而迅速发

2、展。自问世以来，PLD经历了从PROM、PLA、PAL、GAL到FPGA、ispLSI等高密度PLD的发展过程。在此期间，PLD的集成度、速度不断提高，功能不断增强，结构趋于更合理，使用变得更灵活方便。 2.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述第2章 大规模可编程逻辑器件PLD的出现，打破了由中小规模通用型集成电路和大规模专用集成电路垄断的局面。与中小规模通用型集成电路相比，用PLD实现数字系统，有集成度高、速度快、功耗小、可靠性高等优点。与大规模专用集成电路相比，用PLD实现数字系统，有研制周期短、先期投资少、无风险、修改逻辑设计方便、小批量生产成本低等优势。可以预见，在不久的将来，PL

3、D将在集成电路市场占统治地位。第2章 大规模可编程逻辑器件随着可编程逻辑器件性能价格比的不断提高，EDA开发软件的不断完善，现代电子系统的设计将越来越多地使用可编程逻辑器件，特别是大规模可编程逻辑器件。如果说一个电子系统可以像积木块一样堆积起来的话，那么现在构成许多电子系统仅仅需要三种标准的积木块微处理器、存储器和可编程逻辑器件，甚至只需一块大规模可编程逻辑器件。第2章 大规模可编程逻辑器件2.1.1 PLD的发展进程的发展进程最早的可编程逻辑器件出现在20世纪70年代初，主要是可编程只读存储器(PROM)和可编程逻辑阵列(PLA)。20世纪70年代末出现了可编程阵列逻辑(Programmab

4、le ArrayLogic，简称PAL)器件。20世纪80年代初期，美国Lattice公司推出了一种新型的PLD器件，称为通用阵列逻辑(Generic Array Logic，简称GAL)，一般认为它是第二代PLD器件。随着技术进步，生产工艺不断改进，器件规模不断扩大，逻辑功能不断增强，各种可编程逻辑器件如雨后春笋般涌现，如PROM、EPROM、EEPROM等。第2章 大规模可编程逻辑器件随着半导体工艺不断完善，用户对器件集成度要求不断提高，1985年，美国Altera公司在EPROM和GAL器件的基础上，首先推出了可擦除可编程逻辑器件EPLD(Erasable PLD)，其基本结构与PAL/

5、GAL器件相仿，但其集成度要比GAL器件高得多。而后Altera、Atmel、Xilinx等公司不断推出新的EPLD产品，它们的工艺不尽相同，结构不断改进，形成了一个庞大的群体。但是从广义来讲，可擦除可编程逻辑器件(EPLD)可以包括GAL、EEPROM、FPGA、ispLSI或ispEPLD等器件。第2章 大规模可编程逻辑器件最初，一般把器件的可用门数超过500门的PLD称为EPLD。后来，器件的密度越来越大，许多公司把原来称为EPLD的产品都称为复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Devices)。现在，一般把所有超过某一集成度的PLD器件都称

6、为CPLD。当前CPLD的规模已从取代PAL和GAL的500门以下的芯片系列，发展到5000门以上，现已有上百万门的CPLD芯片系列。随着工艺水平的提高，在增加器件容量的同时，为提高芯片的利用率和工作频率，CPLD从内部结构上作了许多改进，出现了多种不同的形式，功能更加齐全，应用不断扩展。在EPROM基础上出现的高密度可编程逻辑器件称为EPLD或CPLD。第2章 大规模可编程逻辑器件在20世纪80年代中期，美国Xilinx公司首先推出了现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件。FPGA器件采用逻辑单元阵列结构和静态随机存取存储器工艺，设计灵活，

7、集成度高，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证。FPGA器件及其开发系统是开发大规模数字集成电路的新技术。它利用计算机辅助设计，绘制出实现用户逻辑的原理图、编辑布尔方程或用硬件描述语言等方式作为设计输入；然后经一系列转换程序、自动布局布线、模拟仿真的过程；最后生成配置FPGA器件的数据文件，对FPGA器件初始化。第2章 大规模可编程逻辑器件这样就实现了满足用户要求的专用集成电路，真正达到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成电路的目的。由于FPGA器件具有高密度、高速率、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本，设计灵活方便，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证等优点，因此使用FPG

8、A器件，一般可在几天到几周内完成一个电子系统的设计和制作，可以缩短研制周期，达到快速上市和进一步降低成本的要求。第2章 大规模可编程逻辑器件在20世纪90年代初，Lattice公司又推出了在系统可编程大规模集成电路(ispLSI)。所谓“在系统可编程特性”(In System Programmability，缩写为ISP)，是指在用户自己设计的目标系统中或线路板上，为重新构造设计逻辑而对器件进行编程或反复编程的能力。在系统编程器件的基本特征是利用器件的工作电压(一般为5 V)，在器件安装到系统板上后，不需要将器件从电路板上卸下，可对器件进行直接配置，并可改变器件内的设计逻辑，满足原有的PCB布

9、局要求。第2章 大规模可编程逻辑器件采用ISP技术之后，硬件设计可以变得像软件设计那样灵活而易于修改，硬件的功能也可以实时地加以更新或按预定的程序改变配置。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统的设计和调试周期，而且还省去了对器件单独编程的环节，因而也省去了器件编程设备，简化了目标系统的现场升级和维护工作。第2章 大规模可编程逻辑器件在系统可编程的概念，首先由美国的Lattice公司提出，而且，该公司已将其独特的ISP技术应用到高密度可编程逻辑器件中，形成了ispLSI(in system programmable Large Scale Integration，在系统可编程大规模集成)和pLSI

10、(可编程大规模集成)逻辑器件系列。ispLSI在功能和参数方面都与相对应的pLSI器件相兼容，只是增加了5 V在系统可编程与反复可编程能力。第2章 大规模可编程逻辑器件ispLSI和pLSI产品既有低密度PLD使用方便、性能可靠等特点，又有FPGA器件的高密度和灵活性，具有确定可预知的延时、优化的通用逻辑单元、高效的全局布线区、灵活的时钟机制、标准的边界扫描功能、先进的制造工艺等优势，其系统速度可达154 MHz，逻辑集成度可达100014 000门，是一种比较先进的可编程专用集成电路。第2章 大规模可编程逻辑器件自进入21世纪以来，可编程逻辑集成电路技术进入飞速发展时期，器件的可用逻辑门数超

11、过了百万门甚至达到上千万门，器件的最高频率超过百兆赫兹甚至达到四五百兆赫兹，内嵌的功能模块越来越专用和复杂，比如出现了乘法器、RAM、CPU核、DSP核和PLL等，同时出现了基于FPGA的可编程片上系统SOPC(System On a Programmable Chip)，有时又称为基于FPGA的嵌入式系统。第2章 大规模可编程逻辑器件2.1.2 PLD的分类方法的分类方法1从结构的复杂度分类从结构的复杂度分类从结构的复杂度上一般可将PLD分为简单PLD和复杂PLD(CPLD)，或分为低密度PLD和高密度PLD(HDPLD)。通常，当PLD中的等效门数超过500门时，则认为它是高密度PLD。传

12、统的PAL和GAL是典型的低密度PLD，其余(如EPLD、FPGA和pLSI/ispLSI等)则称为HDPLD或CPLD。第2章 大规模可编程逻辑器件2从互连结构上分类从互连结构上分类从互连结构上可将PLD分为确定型和统计型两类。确定型PLD提供的互连结构每次用相同的互连线实现布线，所以，这类PLD的定时特性常常可以从数据手册上查阅而事先确定。这类PLD是由PROM 结构演变而来的，目前除了FPGA器件外，基本上都属于这一类结构。统计型结构是指设计系统每次执行相同的功能，却能给出不同的布线模式，一般无法确切地预知线路的延时。所以，设计系统必须允许设计者提出约束条件，如关键路径的延时和关联信号的

13、延时差等。这类器件的典型代表是FPGA系列。第2章 大规模可编程逻辑器件3从可编程特性上分类从可编程特性上分类从可编程特性上可将PLD分为一次可编程和重复可编程两类。一次可编程的典型产品是PROM、PAL和熔丝型FPGA，其他大多是重复可编程的。其中，用紫外线擦除的产品的编程次数一般在几十次的量级，采用电擦除方式的产品的编程次数稍多些，采用E2CMOS工艺的产品，擦写次数可达上千次，而采用SRAM(静态随机存取存储器)结构产品，则被认为可实现无限次的编程。第2章 大规模可编程逻辑器件4从可编程元件上分类从可编程元件上分类最早的PLD器件(如PAL)大多采用的是TTL工艺，但后来的PLD器件(如

14、GAL、EPLD、FPGA及pLSI/ISP器件)都采用MOS工艺(如NMOS、CMOS、E2CMOS等)。目前，一般有五种编程元件： 熔丝型开关(一次可编程，要求大电流)； 可编程低阻电路元件(多次可编程，要求中电压)； EPROM的编程元件(需要有石英窗口，紫外线擦除)； EEPROM的编程元件； 基于SRAM的编程元件。第2章 大规模可编程逻辑器件2.1.3 常用常用CPLD和和FPGA标识的含义标识的含义1CPLD和和FPGA标识概说标识概说CPLD/ FPGA 产品上的标识大概可分为以下几类：(1) 用于说明生产厂家的。如Lattice、Altera、Xilinx是其公司名称。(2)

15、 注册商标。如MAX是为Altera公司其CPLD产品MAX系列注册的商标。第2章 大规模可编程逻辑器件(3) 产品型号。如EPM7128SLC84-15，是Altera公司的一种CPLD(EPLD)的型号，是需要重点掌握的。(4) 产品序列号。用于说明产品生产过程中的编号，是产品身份的标志，相当于人的身份证。(5) 产地与其他说明。由于跨国公司跨国经营，世界日益全球化，有些产品还有产地说明，如：Made in China(中国制造)。第2章 大规模可编程逻辑器件2CPLD/FPGA产品型号标识组成产品型号标识组成CPLD/FPGA产品型号标识通常由以下几部分组成：(1) 产品系列代码。如Al

16、tera公司的FLEX器件系列代码为EPF。(2) 品种代码。如Altera公司的FLEX10K，10K即是其品种代码。(3) 特征代码。也即集成度，CPLD产品一般以逻辑宏单元数描述，而FPGA一般以有效逻辑门来描述。如Altera公司的EPF10K10中后一个10，代表典型产品集成度是10k。要注意有效门与可用门不同。 第2章 大规模可编程逻辑器件(4) 封装代码。如Altera公司的EPM7128SLC84中的LC，表示采用PLCC封装(Plastic Leaded Chip Carrier，塑料方形扁平封装)。PLD封装除PLCC外，还有BGA(Ball Grid Array，球形网状

17、阵列)、C/JLCC(Ceramic /J-Leaded Chip Carrier,)、C/M/P/TQFP(Ceramic/Metal/Plastic/Thin Quard Flat Package)、PDIP/DIP(Plastic Double In line Package)、PGA(Ceramic Pin Grid Array)等，多以其缩写来描述，但要注意各公司稍有差别，如PLCC，Altera公司用LC描述，Xilinx公司用PC描述，Lattice公司用J来描述。第2章 大规模可编程逻辑器件(5) 参数说明。如Altera公司的EPM7128SLC84中的LC84-15，84代

18、表有84个引脚，15代表速度等级为15ns(注意该等级的含义各公司有所不同)。也有的产品直接用系统频率来表示速度，如ispLSI1016-60，60代表最大频率60MHz。(6) 改进型描述。一般产品设计都在后续进行改进设计，改进设计型号一般在原型号后用字母表示，如A、B、C等按先后顺序编号，有些不按A、B、C先后顺序编号，则有特定的含义，如D表示低成本型(Down)，E表示增强型(Ehanced)，L表示低功耗型(Low)，H表示高引脚型(High)，X表示扩展型(eXtended)等。第2章 大规模可编程逻辑器件(7) 适用的环境等级描述。一般在型号最后以字母描述，C(Commercial

19、)表示商用级(085)，I(Industrial)表示工业级(40100)，M(Material)表示军工级(55125)。(8) 附加后缀。如ES：Engineering sample；N: Lead-free devices。第2章 大规模可编程逻辑器件3几种典型产品型号几种典型产品型号1) Lattice公司CPLD和FPGA系列器件Lattice公司的CPLD产品以其发明的isp开头，系列有ispLSI、ispMACH、ispPAC及新开发的ispXPGA、ispXPLD等。其中，ispPAC为模拟可编程器件，除ispLSI、ispMACH4A系列外，型号编排时CPLD产品以LC开头；

20、FPGA产品以LF开头(MachXO系列除外)；SC系列以LFSC开头；EC系列以EC开头。典型产品型号含义如下： ispLSI1016-60：ispLSI1000系列CPLD，通用逻辑块GLB数(只1000系列以此为特征)为16个，工作频率最大为60MHz。第2章 大规模可编程逻辑器件ispLSI1032E-125 LJ：ispLSI1000E系列CPLD，通用逻辑块GLB数为32个(相当逻辑宏单元数128)，工作频率最大为125MHz，PLCC84封装，低电压型商用产品。M4A5-256/128-7YC：5V ispMACH4A系列CPLD，逻辑宏单元数为256个，引脚间延迟为7.5ns，

21、PQFP208封装，适用温度范围为商用级(070)。LC4032ZE-4TN100C：ispMACH4000ZE系列CPLD，逻辑宏单元数为32个，引脚间延迟为4.4 ns，无铅TQFP100封装，适用温度范围为商用级(085)。第2章 大规模可编程逻辑器件LC5256MC-4F256C：ispXPLD 5000MC系列CPLD，逻辑宏单元数为256个，存储器型，1.8V供电电压，引脚间延迟为4.0ns，fpBGA256封装，适用温度范围为商用级(085)。LCMXO640E-4FT256CES：MachXO系列FPGA，640个查找表，1.2V供电电压，速度等级为4级，fpBGA256封装，

22、适用温度范围为商用级(085)，工程样品。LFSC3GA25E-6F900C：SC系列FPGA，SERDES速度为3.8G，25k个查找表，1.2V供电电压，速度等级为6级，fpBGA900封装, 适用温度范围为商用级(085)。第2章 大规模可编程逻辑器件LFX1200EC-03F900I：ispXPGA1200E系列FPGA，典型逻辑规模是1.25M系统门，1.8V，速度等级为3级(注意Lattice公司的速度等级数越小，速度越慢)，fpBGA900封装，适用温度范围为工业级(40100)。LFXP10E-4F256C：XP系列FPGA，10k个查找表，1.2V供电电压，速度等级为4级，f

23、pBGA256封装，适用温度范围为商用级(085)。第2章 大规模可编程逻辑器件LFEC20E-4F484C: EC系列FPGA，20k个查找表，1.2V供电电压，速度等级为4级，fpBGA484封装，适用温度范围为商用级(085)。LFE2-50E-7F672C: ECP2系列FPGA，50k个查找表，1.2V供电电压，速度等级为7级，fpBGA672封装，适用温度范围为商用级(085)。第2章 大规模可编程逻辑器件2) Altera公司的FPGA和CPLD系列器件Altera公司的产品一般以EP开头，代表可重复编程。(1) Altera公司的MAX系列CPLD产品和MAX系列FPGA产品的

24、系列代码为EPM。典型产品型号含义如下：EPM7128SLC84-15：MAX7000S系列CPLD，逻辑宏单元数为128个，采用PLCC封装，84个引脚，引脚间延时为15ns。EPM240GT100C3ES：MAX系列FPGA产品，逻辑单元数为240个，TQFP封装，100个引脚，速度等级为3级，适用温度范围为商用级(085)，ES表示是工程样品(Engineering sample)。第2章 大规模可编程逻辑器件(2) Altera公司的FPGA产品系列代码为EP或EPF。典型产品型号含义如下：EPF10K10：FLEX10K系列FPGA，典型逻辑规模是10k个有效逻辑门。EPF10K30

25、E：FLEX10KE系列FPGA，逻辑规模是EPF10K10的3倍。EPF20K200E：APEX20KE系列FPGA，逻辑规模是EPF10K10的20倍。EP1K30：ACEX1K系列FPGA，逻辑规模是EPF10K10的3倍。EP1S30：STRATIX系列FPGA，逻辑规模是EPF10K10的3倍。第2章 大规模可编程逻辑器件EP3C25F324C7N：CYCLONE 系列FPGA，逻辑单元数为25k个，FBGA封装，324个引脚，速度等级为7级，适用温度范围为商用级(085)，无铅(Lead-free devices)。EP4SGX230KF40C2ES：Stratix GX系列FPG

26、A，逻辑单元数为230k个，带36个收发器，FBGA封装，1517个引脚，速度等级为2级，适用温度范围为商用级(085)，工程样品。EP1AGX20CF484C6N：Arria GX系列FPGA，逻辑单元数为20k个，带4个收发器，FBGA封装，484个引脚，速度等级为6级，适用温度范围为商用级(085)，无铅。第2章 大规模可编程逻辑器件(3) Altera公司的FPGA配置器件系列代码为EPC。典型产品型号含义如下：EPC1：1型FPGA配置器件。第2章 大规模可编程逻辑器件3) Xilinx公司的CPLD和FPGA系列器件Xilinx公司的产品一般以XC开头，代表Xilinx公司的产品。

27、典型产品型号含义如下：XC95108-7 PQ 160C：XC9500系列CPLD，逻辑宏单元数为108个，引脚间延时为7ns，采用PQFP封装，160个引脚，商用。XC2064：XC2000系列FPGA，可配置逻辑块(Configurable Logic Block，CLB)为64个(只此型号以CLB为特征)。XC2018：XC2000系列FPGA，典型逻辑规模是有效门1800个。第2章 大规模可编程逻辑器件XC4002A：XC4000A系列FPGA，典型逻辑规模是2k个有效门。XCS10：Spartan系列FPGA，典型逻辑规模是10k个。XCS30：Spartan系列FPGA，典型逻辑规

28、模是XCS10的3倍。XC3S50A-4FT256C：Spartan 3A系列FPGA，典型逻辑规模是XCS10的5倍，速度等级为4级，采用FTBGA256脚封装，适用温度范围为商用级(085)。XC6VLX240T-1FFG1156C：Virtex-6 LX系列FPGA，典型逻辑规模是240k个，速度等级为1级，采用1156脚封装，适用温度范围为商用级(085)。第2章 大规模可编程逻辑器件2.2.1 Lattice公司的公司的CPLD和和FPGA概述概述1CLPD器件概述器件概述Lattice公司始建于1983年，是最早推出PLD的公司之一，GAL器件是其成功推出并得到广泛应用的PLD产品

29、。2.2 Lattice公司的公司的CPLD和和FPGA器件器件第2章 大规模可编程逻辑器件20世纪80年代末，Lattice公司提出了ISP(在系统可编程)的概念，并首次推出了CPLD器件，其后，将ISP与其拥有的先进的EECMOS技术相结合，推出了一系列具有ISP功能的CPLD器件，使CPLD器件的应用领域又有了巨大的扩展。所谓ISP技术，就是不用从系统上取下PLD芯片，就可进行编程的技术。ISP技术大大缩短了新产品研制周期，降低了开发风险和成本，因而推出后得到了广泛的应用，几乎成了CPLD的标准。Lattice公司的CPLD器件主要有ispLSI系列、ispMACH系列、ispXPLD系

30、列，现在主流产品是ispMACH系列和ispXPLD系列。第2章 大规模可编程逻辑器件1) ispLSI系列CPLDispLSI系列是Lattice公司于20世纪90年代以来推出的，有ispLSI1000系列、ispLSI2000系列、ispLSI3000系列、ispLSI4000系列、ispLSI5000系列和ispLSI8000系列六个系列，分别适用于不同场合，前三个系列是基本型，后三个系列是1996年后推出的。ispLSI系列集成度从1000门至60000门，引脚到引脚之间(Pin To Pin)延时最小为3ns，工作速度可达300MHz，支持ISP和JTAG边界扫描测试功能，原来广泛应

31、用于通信设备、计算机、DSP系统和仪器仪表中，但现在已逐渐退出历史舞台，被ispMACH系列和ispXPLD系列替代。该系列CPLD的主要参数见表2.1。第2章 大规模可编程逻辑器件表表2.1 ispLSI系列系列CPLD的主要参数的主要参数第2章 大规模可编程逻辑器件2) ispMACH系列CPLDispMACH系列包括5V的ispMACH4A5系列和主流的ispMACH4000系列，包括ispLSI4000/4000B/4000C/4000V/4000Z/4000ZE等品种，主要区别是供电电压不同，ispMACH4000V、ispMACH4000B和ispMACH4000C器件系列供电电压

32、分别为3.3V、2.5V和1.8V。Lattice公司还基于ispMACH4000的器件结构开发出了低静态功耗的CPLD系列ispMACH4000Z和超低功耗的CPLD 系列ispMACH4000ZE。该系列CPLD的主要参数见表2.2和表2.3。第2章 大规模可编程逻辑器件表表2.2 ispMACH 4000 V/B/C系列系列CPLD的主要参数的主要参数第2章 大规模可编程逻辑器件表表2.3 ispMACH4000Z系列系列CPLD的主要参数的主要参数第2章 大规模可编程逻辑器件ispMACH4000系列产品提供SuperFAST(400MHz，超快)的CPLD解决方案。ispMACH 4

33、000V和ispMACH4000Z均支持车用温度范围：40130(Tj)。ispMACH 4000系列支持介于3.3V和1.8V之间的I/O标准，既有业界领先的速度性能，又能提供最低的动态功耗。ispMACH4000V/B/C系列器件的宏单元个数从32512个不等，速度最大达到400MHz(对应引脚至引脚之间的传输延迟tPD为2.5ns)。ispMACH 系列提供44256个引脚、具有多种密度I/O组合的TQFP、fpBGA和caBGA封装。第2章 大规模可编程逻辑器件ispMACH4000Z的宏单元数为32256个，速度最大达到267MHz(对应tPD为3.5ns)，供电电压为1.8V，可提

34、供很低的动态功率。1.8V的ispMACH4000Z器件系列适用于从3.3V、2.5V至1.8V的宽泛围的I/O标准，在使用LVCMOS3.3V接口时，它还可以兼容5V的电压。该系列有商用、工业用和车用等不同的温度范围。第2章 大规模可编程逻辑器件ispMACH4000ZE是ispMACH4000Z器件系列的第二代，非常适用于超低功耗、大批量便携式的应用。在典型情况下，ispMACH4000ZE提供低至10A的待机电流。经过成本优化且功能繁多的ispMACH4000ZE器件提供超小的、节省面积的芯片级球栅阵列(csBGA)封装、一种能够实现超低系统功耗的新的Power Guard特性以及包含片

35、上用户振荡器和定时器的新的系统集成功能。ispMACH4000ZE器件采用1.8V核心电压并提供高层次的功能和低系统功耗。ispMACH4000ZE系列支持3.3V、2.5V、1.8V和1.5V I/O标准，并且当采用LVCMOS 3.3接口时，具有兼容5V的I/O性能。此外，所有输入和I/O都是5V兼容的。第2章 大规模可编程逻辑器件ispMACH4000器件包括3.3V、2.5V和1.8V三个系列。4000C是世界上第一款1.8V在系统可编程CPLD系列。ispMACH4000系列器件集业界领先的速度性能和最低动态功耗于一身，其支持的I/O电压标准为：3.3V、2.5V和1.8V。第2章

36、大规模可编程逻辑器件3) ispXPLD系列CPLDispXPLDTM5000MX系列代表了Lattice半导体公司全新的XPLD(eXpanded Program- mable Logic Devices)器件系列，包括ispXPLDTM5000MB/5000MC/5000MV等品种。这类器件采用了新的构建模块多功能块(Multi-Function Block，简称MFB)。这些MFB可以根据用户的应用需要，被分别配置成SuperWIDETM 超宽(136个输入)逻辑、单口或双口存储器、先入先出堆栈或CAM。第2章 大规模可编程逻辑器件ispXPLD5000MX器件将PLD出色的灵活性与sy

37、sIOTM接口结合了起来，能够支持 LVDS、HSTL和SSTL等最先进的接口标准以及用户比较熟悉的LVCMOS标准。sysCLOCKTM PLL电路简化了时钟管理。ispXPLD5000MX器件采用拓展了的在系统编程技术，也就是ispXP技术，因而具有非易失性和无限可重构性。编程可以通过IEEE 1532业界标准接口进行，配置可以通过Lattice的sysCONFIGTM 微处理器接口进行。该系列器件有3.3V、2.5V和1.8 V供电电压的产品可供选择(对应MV、MB和MC系列)，最多1024个宏单元，最快为300MHz。该系列CPLD的主要参数见表2.4。第2章 大规模可编程逻辑器件表表

38、2.4 ispXPLD5000MX CPLD的主要参数的主要参数第2章 大规模可编程逻辑器件ispLSI/MACH器件都采用EECMOS和EEPROM工艺结构，能够重复编程万次以上，内部带有升压电路，可在5V、3.3V逻辑电平下编程，编程电压和逻辑电压可保持一致，给使用带来很大方便；具有保密功能，可防止非法拷贝；具有短路保护功能，能够防止内部电路自锁和SCR自锁。此器件推出后受到了极大的欢迎，曾经代表了CPLD的最高水平，但现在Lattice公司推出了新一代的扩展在系统可编程技术(ispXP)，在新设计中推荐采用ispMACH系列产品和ispXPLD器件。第2章 大规模可编程逻辑器件2FPGA

39、器件概述器件概述Lattice公司的FPGA器件主要有EC/ECP(含S系列)系列、ECP2/M(含S系列)系列、ECP3系列、SC/M系列、XP/ XP2系列、MachXO系列和ispXPGA系列。其中，ispXPGA系列是最早采用ispXP技术的FPGA器件，EC/ECP等是经济型FPGA器件，XP/XP2系列是将EC/ECP2系列FPGA和低成本的130nm/90nm Flash技术合成在单个芯片上的非易失性FPGA。SC/M系列是其最高性能FPGA产品，该系列根据当今基于连结的高速系统的要求而设计，推出了针对诸如以太网、PCI Express、SPI4.2以及高速存储控制器等高吞吐量标

40、准的最佳解决方案。第2章 大规模可编程逻辑器件另外，Lattice公司还推出了集成ASIC宏单元和FPGA门于同一片芯片的产品，将该技术称为单片现场可编程系统(FPSC)。与带有嵌入式 FPGA 门的 ASIC 相比，FPSC 器件具有广泛的应用范围。嵌入式宏单元拥有工业标准 IP 核，诸如 PCI、高速线接口和高速收发器。当这些宏单元与成千上万的可编程门结合起来时，它们可应用在各种不同的高级系统设计中。第2章 大规模可编程逻辑器件1) LatticeECP/EC系列FPGALatticeECP/EC系列FPGA是经过优化、低成本的主流FPGA产品。为获得最佳的性能和最低的成本，Lattice

41、ECP(ECconomy Plus)FPGA产品结合了高效的FPGA结构和高速的专用功能模块。按这种方法实现的第一个系列是LatticeECP-DSP(ECconomy Plus DSP)系列，它提供了片内的专用高性能DSP块。LatticeEC(ECconomy)系列支持除了专用高性能DSP块以外的LatticeECP器件所具有的所有通用功能，因此它非常适用于低成本的解决方案。第2章 大规模可编程逻辑器件基于低成本的思路，LatticeECP/EC器件含有所有必需的FPGA单元：基于LUT的逻辑功能、分布式和嵌入式存储器、PLL、并支持主流的I/O标准。器件的专用DDR存储器接口支持对成本敏

42、感的工程应用。Lattice还提供许多用于LatticeECP/EC系列的预先设计的IP(Intellectual Property，知识产权)ispLeverCORE模块。采用这些IP标准模块，设计者可以将精力集中于自己设计中的特色部分，从而提高工作效率。该系列FPGA的主要参数见表2.5。第2章 大规模可编程逻辑器件表表2.5 Lattice ECP/EC系列系列FPGA的主要参数的主要参数第2章 大规模可编程逻辑器件2) ispXPGA系列FPGAispXPGA系列FPGA器件采用扩展在系统可编程技术(ispXP)，能够实现同时具有非易失性和无限可重构性的高性能逻辑设计。改变了只能在可编

43、程性、可重构性和非易失性之间寻求妥协的情况。无需外部的配置存储单元，上电后几微秒内自动配置FPGA，可在几毫秒内完成在系统重构，可在系统工作状态下重新编程器件，通过芯片内的E2或CPU进行配置，通过对安全位进行设置防止回读。第2章 大规模可编程逻辑器件139k至1.25M的系统门，I/O数多达496个，多达414Kb的内嵌存储单元。ispXPGA FPGA系列有两种选择：标准的器件支持用于超高速串行通信的sysHSI功能，而高性能、低成本的FPGA器件“E-系列”则不含sysHSI功能。从而提高工作效率。该系列FPGA的主要参数见表2.6和表2.7。第2章 大规模可编程逻辑器件表表2.6 La

44、ttice XP系列系列FPGA的主要参数的主要参数第2章 大规模可编程逻辑器件表表2.7 ispXPGA系列系列FPGA的主要参数的主要参数第2章 大规模可编程逻辑器件3) MachXO系列FPGAMachXO系列非易失性无限重构可编程逻辑器件(PLD)是专门为传统的用CPLD或低密度的FPGA实现的应用而设计的。广泛采用需要通用I/O扩展、接口桥接和电源管理功能的应用，通过提供嵌入式存储器、内置的PLL、高性能的LVDS I/O、远程现场升级(TransFRTM技术)和一个低功耗的睡眠模式，MachXO可编程逻辑器件拥有提升系统集成度的优点，所有这些功能都集成在单片器件之中。该系列FPGA

45、的主要参数见表2.8。第2章 大规模可编程逻辑器件表表2.8 MACHXO系列系列FPGA的主要参数的主要参数第2章 大规模可编程逻辑器件2.2.2 ispLSI/pLSI系列系列CPLD结构结构ispLSI/pLSI系列器件有1000、2000、3000、5000、6000和8000系列等器件。ispLSI/pLSI1000/E、2000和3000系列逻辑器件具有类似的结构(如图2.1所示)，都由通用逻辑块(GLB)、全局布线区(GRP)、输出布线区(ORP)、输入/输出单元(IOC)和时钟分配等部分组成，主要区别在于它们的GLB及I/O数量不同。前两个系列的GLB结构相同，后一个系列具有双

46、GLB结构。ispLSI6000系列的GLB与3000系列器件相同，但整体结构中包含了FIFO或RAM功能；5000系列的整体结构与3000系列相似，但GLB和宏单元等内部结构有了很大的差异；8000系列的GLB与5000系列相似，但整体结构是新推出的。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.1 ispLSI/pLSI3256结构框图第2章 大规模可编程逻辑器件1通用逻辑块通用逻辑块ispLSI/pLSI系列的基本逻辑单元是通用逻辑块(Generic Logic Block，简称GLB)，如图2.2所示。双GLB是Lattice公司ispLSI/pLSI3000系列的标准逻辑块，如图2.3所示，该双

47、GLB包含了1000和2000系列的GLB，相当于两个GLB，这正是“双GLB”名称的来历。双GLB具有24个输入、8个输出，以及实现大多数标准逻辑功能所必需的逻辑。(双)GLB的内部逻辑被分为4个部分：与阵列、乘积项共享阵列、可配置寄存器和控制部分。第2章 大规模可编程逻辑器件与阵列由两个20乘积项共享阵列组成，它可产生24个双GLB输入的任意逻辑和。这些输入来自于GRP(它们可以是来自32个双GLB的任意反馈信号)，也可以是来自外部I/O单元的输入。所有这些双GLB输入信号可以以逻辑“真”及它们的补码形式进入乘积项，更有效地使布尔逻辑简化。两个乘积项共享阵列(PTSA)各自接收20个乘积项

48、，并把它们分配到4个双GLB输出。有4个或门，分别带有4、4、5和7个输入。任一或门的输出可连到4个双GLB输出中的任一个。如果要求更多的乘积项，则PTSA能根据需要组合它们。如果用户主要关心的是速度，则PTSA能使用带有4个乘积项的旁通电路，来改善该单元的性能。双GLB的8个输出中，任一个或全部输出都可实现这种功能。第2章 大规模可编程逻辑器件ispLSI5000V系列的GLB结构如图2.4所示。每个GLB包含32个宏单元，具有160个逻辑乘积项和5个控制乘积项的可编程与阵列。该GLB具有来自GRP的68个输入端，且可以以原码、补码逻辑输入。160个乘积项可分成32组，每组5项送入乘积项共享

49、阵列(PTSA)，单组函数最多可达35个乘积项。另外，PTSA带有旁通功能。5个乘积项用来控制共享的GLBGLB内部的置位、复位、时钟、时钟使能及I/O的输出使能。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.2 ispLSI/pLSI3000及6000系列的GLB结构第2章 大规模可编程逻辑器件图2.3 ispLSI/pLSI3000系列的双GLB结构第2章 大规模可编程逻辑器件图2.4 ispLSI5000V的GLB结构第2章 大规模可编程逻辑器件ispLSI5000V系列的宏单元结构如图2.5所示。每个宏单元包含一个可编程XOR门、一个可编程的寄存器/锁存器/触发器，以及允许组合或时序操作所必需的时

50、钟和控制逻辑。每个宏单元有两个输出，并且，它们可通过全局布线区(GRP)反馈。宏单元的这种双重可并行输出能力有利于充分利用硬件资源。第2章 大规模可编程逻辑器件ispLSI8000V系列的宏单元结构如图2.6所示。每个宏单元包含一个可编程XOR门、一个可编程的寄存器/锁存器/触发器，以及允许组合或时序操作所必需的时钟和控制逻辑。每个宏单元有两个输出，其中，一个可通过GLB内部反馈到与阵列，另一个可同时驱动BFM布线区(BRP)和全局布线区(GRP)。宏单元的这种双重可并行输出能力有利于充分利用硬件资源。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.5 ispLSI5000V的宏单元结构第2章 大规模可编程

51、逻辑器件图2.6 ispLSI8000V系列的宏单元结构第2章 大规模可编程逻辑器件2巨块结构巨块结构4个双GLB构成一巨块结构(Megablock Structure)。每个GLB的最大输入为24个，任一巨块设有专用输入，一个GLB有8个相应的输出，总共32个GLB输出馈送到单I/O 3000系列器件的ORP(也就是每个GLB输出有一个I/O引脚，例如3256)。这样，32个输出中只有16个馈送到16个I/O单元。对于双I/O 3000系列器件，如3192，每个GLB输出有一个I/O引脚，16个GLB输出馈送到每个输出布线区(ORP)，驱动16个I/O单元。因此，双I/O器件中每个巨块设有两

52、个ORP。单I/O和双I/O器件的巨块结构如图2.7和图2.8所示。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.7 ispLSI/pLSI3000系列I/O巨块框图 第2章 大规模可编程逻辑器件图2.8 ispLSI/pLSI3000系列双I/O巨块框图第2章 大规模可编程逻辑器件3全局时钟结构全局时钟结构全局时钟结构(Global Clock Structure)包含5个全局时钟输入引脚，Y0、Y1、Y2、Y3和Y4。前三个引脚专用于GLB时钟，后两个引脚专用于I/O寄存器时钟。在1000/E全局系列中设计的时钟GLB生成网络被取消了，因此，所有输入时钟信号通过时钟复工器直接馈送到GLB时钟输入端。G

53、LB全局时钟没有反相能力，但是，乘积项时钟在它送到时钟复工器之前，具有反相能力。第2章 大规模可编程逻辑器件4I/O单元单元I/O单元(I/O Cell)结构同1000/E系列相近，如图2.9所示，但每个I/O单元含有边界扫描寄存器，一个输入引脚只有一个扫描寄存器。一个全局测试OE信号“硬线连接”到所有I/O单元，这对实现器件内所有三态输出缓冲器的静态测试是有用的。除了测试OE信号外，两个全局OE信号连到所有I/O引脚。乘积项OE信号和全局信号被送到OE复工器。除测试OE(TOE)信号外，其他OE信号在经过OE复用后具有反相能力。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.9 ispLSI/pLSI30

54、00系列的I/O单元结构第2章 大规模可编程逻辑器件2.2.3 ispMACH系列系列CPLD结构结构ispMACH4000系列器件由全局布线区(GRP)、通用逻辑块(GLB)、输出布线区(ORP)及I/O 块组成，如图2.10所示。它可提供从2 个GLB 的ispMACH4032 到32个GLB的ispMACH4512多种器件。每个GLB由可编阵列(从GRP来的36个输入和83个输出乘积项)、逻辑分配器、16个宏单元和 GLB 时钟发生器组成。每个与阵列有36个输入，83个乘积项输出。图2.11是GLB结构框图，图2.12是可编程与阵列(And Array)，图2.13是逻辑宏单元(Macr

55、ocell)结构图，图2.14是逻辑分配器结构图，图2.15是输入输出(I/O)单元结构图。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.10 ispMACH4000功能块框图第2章 大规模可编程逻辑器件图2.11 通用逻辑块GLB 结构框图第2章 大规模可编程逻辑器件图2.12 可编程与阵列(And Array)第2章 大规模可编程逻辑器件图2.13 逻辑宏单元Macrocell 结构图第2章 大规模可编程逻辑器件图2.14 逻辑分配器结构图第2章 大规模可编程逻辑器件图2.15 输入输出(I/O)单元结构图第2章 大规模可编程逻辑器件2.2.4 EC/ECP系列系列FPGA结构结构1器件的总体结构器件

56、的总体结构LatticeECP-DSP和LatticeEC器件的中间是逻辑块阵列，器件的四周是可编程I/O单元(Program I/O Cell，简称PIC)。在逻辑块的行之间分布着嵌入式RAM块(sysMEM Embedded Block RAM，简称EBR)。对于LatticeECP-DSP器件而言，它还有额外的由DSP块组成的行。LatticeECP-DSP的结构如图2.16所示。LatticeEC的结构与LatticeECP-DSP的结构基本相同，主要区别就是没有sysDSP Block。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.16 简化的LatticeECP-DSP器件总体结构图第2章 大

57、规模可编程逻辑器件器件中有两种逻辑块：可编程功能单元(Programmable Function Unit，简称PFU)；无RAM的可编程功能单元(Programmable Function Unit without RAM，简称PFF)。PFU包含用于逻辑、算法、RAM/ROM和寄存器的积木块。PFF包含用于逻辑、算法、ROM的积木块。优化的PFU和PFF能够灵活、有效地实现复杂设计。器件中每行为一种类型的积木块，每三行PFF间隔就有一行PFU。第2章 大规模可编程逻辑器件每个PIC块含有两个具有sysIO接口的PIO对。器件左边和右边的PIO对可配置成LVDS发送、接收对，sysMEM E

58、BR是大的专用快速存储器块，可用于配置成RAM或ROM。PFU、PFF、PIC和EBR块以行和列的形式分布呈二维网格状，如图2.16所示。这些块与水平的和垂直的布线资源相连。软件的布局、布线功能会自动地分配这些布线资源。系统时钟锁相环(PLL)在含有系统存储器块行的末端，这些PLL具有倍频、分频和相移功能，用于管理时钟的相位关系。每个LatticeECP/EC器件提供多达4个PLL。第2章 大规模可编程逻辑器件2PFU和和PFF块块LatticeECP/EC器件的核心是PFU和PFF。PFU可以通过编程实现逻辑、算法、分布式RAM、分布式ROM功能。PFF可以通过编程实现逻辑、算法、ROM功能

59、。除非特别说明，本文接下来不再区分PFU和PFF，都简称为PFU。每个PFU由四个互联的集成电路片(Slice)组成，如图2.17所示。所有与PFU的互联都来自布线区。每个PFU有53个输入，25个输出。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.17 PFU的结构第2章 大规模可编程逻辑器件每个Slice有两个LUT4查找表，其输出送入两个寄存器，这两个寄存器可以通过编程成为触发器或者锁存器模式。LUT与相关的逻辑组合在一起可形成LUT5、LUT6、LUT7和LUT8。器件中的控制逻辑执行Set/Reset功能(可编程为同步、异步模式)、时钟选择、片选和多种RAM/ROM功能。图2.18为Slice的

60、内部逻辑示意图。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.18 Slice的内部逻辑示意图第2章 大规模可编程逻辑器件3sysDSP 块块LatticeECP-DSP系列提供了一个非常适用于低成本、高性能数字信号处理(DSP)应用的sysDSP块。这些应用中的典型功能是有限脉冲响应(FIR)滤波器、快速傅立叶变换(FFT)功能、相关器以及Reed-Solomon/Turbo/Convolution编解码器。这些复杂的信号处理功能采用诸如乘-加法器和乘-累加器等相似的积木块。图2.19是串行和并行DSP处理方法的比较。第2章 大规模可编程逻辑器件图2.19 通用DSP和LatticeECP-DSP方法的