第2讲 可编程逻辑器件

1、1998年世界十大PLD公司 第第2讲讲 FPGA/CPLD器件器件 2.1 PLD器件概述器件概述PLD的发展历程的发展历程 熔丝编程的熔丝编程的PROM和和PLA器件器件 AMD公公司推出司推出PAL器件器件 GAL器件器件 FPGA器器件件 EPLD器器件件 CPLD器器件件 内嵌复杂内嵌复杂功能模块功能模块的的SoPC PLD器件(Programmable Logic Device)PLD按按集成度集成度分类分类 可编程逻辑器件（PLD） 简单 PLD 复杂 PLD PROM PAL PLA GAL CPLD FPGA 一般将一般将GAL22V10（500门门750门门 ）作为简单）作

2、为简单PLD和高密度和高密度PLD的分水岭的分水岭四种四种SPLD器件的区别器件的区别1. PLD器件器件按可以编程的次数按可以编程的次数可以分为两类：可以分为两类：(1) 一次性编程器件（一次性编程器件（OTP，One Time Programmable）(2) 可多次编程器件可多次编程器件OTP类器件的特点是：只允许对器件编程一次，不能修改，类器件的特点是：只允许对器件编程一次，不能修改，而可多次编程器件则允许对器件多次编程，适合于在科研开而可多次编程器件则允许对器件多次编程，适合于在科研开发中使用。发中使用。PLD按按按按编程特点编程特点分类分类(1)熔丝（熔丝（Fuse）(2)反熔丝（

3、反熔丝（Antifuse）编程元件）编程元件(3)紫外线擦除、电可编程，如紫外线擦除、电可编程，如EPROM。(4)电擦除、电可编程方式，电擦除、电可编程方式，(EEPROM、快闪存储、快闪存储器（器（Flash Memory），目前多数），目前多数CPLD采用此类采用此类编程编程(5)静态存储器（静态存储器（SRAM）结构，目前多数）结构，目前多数FPGA 采采用此类编程用此类编程2.按编程元件和编程工艺按编程元件和编程工艺分类分类3.按结构特点分类2.2 PLD的基本原理与结构的基本原理与结构 输入输出 数字电路符号表示数字电路符号表示 数字逻辑电路的两种国标符号对照数字逻辑电路的两种国标

4、符号对照 PLD电路的表示方法电路的表示方法 PLD电路符号表示电路符号表示 PLD的输入缓冲电路的输入缓冲电路 PLD与阵列表示与阵列表示PLD或阵列表示或阵列表示PLD连接表示法连接表示法 2.3 低密度低密度PLD的原理与结构的原理与结构 PROM PROM的逻辑阵列结构的逻辑阵列结构 PROM PROM表达的表达的PLD阵列图阵列图 PROM 用用PROM完成半加器逻辑阵列完成半加器逻辑阵列 01110100AAFAAAAFPLA PLA逻辑阵列示意图逻辑阵列示意图 PAL PAL结构结构 PAL的常用表示的常用表示 PAL PAL22V10部分结构图部分结构图 GAL22V10的的O

5、LMC结构结构CPLD器件器件的结构的结构2.4 CPLD的原理与结构的原理与结构CPLD器件器件宏单元内部宏单元内部结构示意图结构示意图 典型典型CPLD器件的结构器件的结构MAX 7000S器件的内部结构器件的内部结构 MAX 7000S器件的宏单元结构器件的宏单元结构MispLSI 1032器件的器件的GLB的结构的结构 XC9500器件的宏单元结构器件的宏单元结构 2.5 FPGA的原理与结构的原理与结构查找表结构查找表结构 查找表原理查找表原理查找表结构查找表结构 4输入输入LUT及内部结构图及内部结构图 FPGA器件的内部结构示意图器件的内部结构示意图 典型典型FPGA的结构的结构

6、XC4000器件的器件的CLB结构结构 Cyclone器件的器件的LE结构（普通模式）结构（普通模式）典型典型FPGA的结构的结构为了解决超大规模集成电路（为了解决超大规模集成电路（VLSI）的测试问题，自）的测试问题，自1986年开始，年开始，IC领领域的专家成立了域的专家成立了“联合测试行动组联合测试行动组”（JTAG，Joint Test Action Group），并制定出了），并制定出了IEEE 1149.1边界扫描测试边界扫描测试（BST，Boundary Scan Test）技术规范技术规范2.7 边界扫描测试技术边界扫描测试技术引引 脚脚描描 述述功功 能能TDI测试数据输入测

7、试数据输入(Test Data Input)测试指令和编程数据的串行输入引脚。数据在测试指令和编程数据的串行输入引脚。数据在TCK的上升沿移入。的上升沿移入。TDO测试数据输出测试数据输出(Test Data Output)测试指令和编程数据的串行输出引脚，数据在测试指令和编程数据的串行输出引脚，数据在TCK的下降沿移出。如果数据没有被移出时，该引脚处的下降沿移出。如果数据没有被移出时，该引脚处于高阻态。于高阻态。TMS测试模式选择测试模式选择(Test Mode Select)控制信号输入引脚，负责控制信号输入引脚，负责TAP控制器的转换。控制器的转换。TMS必须在必须在TCK的上升沿到来之

8、前稳定。的上升沿到来之前稳定。TCK测试时钟输入测试时钟输入(Test Clock Input)时钟输入到时钟输入到BST电路，一些操作发生在上升沿，而电路，一些操作发生在上升沿，而另一些发生在下降沿。另一些发生在下降沿。TRST测试复位输入测试复位输入(Test Reset Input)低电平有效，异步复位边界扫描电路低电平有效，异步复位边界扫描电路(在在IEEE规范规范中，该引脚可选中，该引脚可选)。边界扫描边界扫描IO引脚功能引脚功能 2.8 FPGA/CPLD的编程与配置的编程与配置未编程前先焊接安装未编程前先焊接安装n 减少对器件的触摸减少对器件的触摸和损伤和损伤n 不计较器件的封装

9、不计较器件的封装形式形式系统内编程系统内编程-ISPn 样机制造方便样机制造方便n 支持生产和测试支持生产和测试流程中的修改流程中的修改在系统现场重编程修改在系统现场重编程修改n 允许现场硬件升级允许现场硬件升级n 迅速方便地提升功能迅速方便地提升功能下载接口引脚信号名称下载接口引脚信号名称 引脚引脚12345678910PS模式模式DCKGNDCONF_DONEVCCnCONFIG-nSTATUS-DATA0GNDJATG模模式式TCKGNDTDOVCCTMS-TDIGND2.8 FPGA/CPLD的编程与配置的编程与配置USB-Blaster下载电缆下载电缆JTAG方式的在系统编程方式的在

10、系统编程 CPLD编程下载连接图编程下载连接图 JTAG方式的在系统编程方式的在系统编程 多个多个MAX器件的器件的JTAG链配置方式链配置方式FPGA器件的配置器件的配置Cyclone器件的器件的AS模式配置电路模式配置电路 FPGA专用配置器件专用配置器件 EPCS器件配置器件配置FPGA的电路原理图的电路原理图 使用单片机配置使用单片机配置FPGA 微处理器微处理器PS模式配置模式配置FPGA的电路连接图的电路连接图 2.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述Lattice公司公司CPLD器件系列器件系列 ispLSI器件的结构与特点器件的结构与特点 （1）采用）采用UltraMOS工艺

11、。工艺。（2）系统可编程功能，所有的）系统可编程功能，所有的ispLSI器件均支持器件均支持ISP功能。功能。（3）边界扫描测试功能。）边界扫描测试功能。（4）加密功能。）加密功能。（5）短路保护功能。）短路保护功能。2.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述Lattice公司公司CPLD器件器件系列系列 ispMACH4000系列系列 Lattice EC & ECP系列系列 ispMACH4000系列系列CPLD器件有器件有3.3V、2.5V 和和 1.8V 三种供电电压，分别属于三种供电电压，分别属于 ispMACH 4000V、ispMACH 4000B 和和 ispMACH

12、4000C 器件系列。器件系列。 2.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述Xilinx公司的公司的FPGA和和CPLD器件系列器件系列 1. Virtex-4系列系列FPGA 2. Spartan& Spartan-3 & Spartan 3E器件系列器件系列 3. XC9500 & XC9500XL系列系列CPLD 4. Xilinx FPGA配置器件配置器件SPROM 5. Xilinx的的IP核核 2.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述Altera公司公司FPGA和和CPLD器件系列器件系列 1. Stratix II 系列系列FPGA 2. Stratix

13、系列系列FPGA 3. ACEX系列系列FPGA 4. FLEX系列系列FPGA 5. MAX系列系列CPLD 6. Cyclone系列系列FPGA低成本低成本FPGA 7. Cyclone II系列系列FPGA 8. MAX II系列器件系列器件 9. Altera宏功能块及宏功能块及IP核核 2.10 FPGA/CPLD的发展趋势的发展趋势1）向大规模、高集成度方向进一步发展）向大规模、高集成度方向进一步发展 2）向低电压、低功耗的方向发展）向低电压、低功耗的方向发展 3）向高速可预测延时的方向发展）向高速可预测延时的方向发展 4）在）在PLD器件内嵌入更多功能模块器件内嵌入更多功能模块

14、5）向模数混合可编程方向发展）向模数混合可编程方向发展 FPGAFPGA: SRAM: SRAM工艺；直接烧写程序掉电后程序丢失；理论工艺；直接烧写程序掉电后程序丢失；理论上擦写上擦写100100万次以上；一般使用需要外挂万次以上；一般使用需要外挂EEPROMEEPROM，可以达，可以达到几百万门电路。比如到几百万门电路。比如ALTERAALTERA公司的公司的APEXAPEX、FLEXFLEX、ACEXACEX、STRATIXSTRATIX、CYCLONECYCLONE系列。系列。 CPLDCPLD: EPPROM: EPPROM或或FLASHFLASH工艺；直接烧写程序调电后程序不工艺；直

15、接烧写程序调电后程序不会消失；一般可以擦写几百次，并且一般宏单元在会消失；一般可以擦写几百次，并且一般宏单元在512512以以下。比如下。比如ALTERAALTERA的的MAX3000/5000/7000/9000MAX3000/5000/7000/9000和和CLASSICCLASSIC系系列）列） 选择选择CPLDCPLD还是还是FPGAFPGA？ CPLD CPLD组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至20203030多个组合逻辑输入。而多个组合逻辑输入。而FPGAFPGA的一个的一个LUTLUT只能处理只能处理4 4输入的组

16、合逻辑输入的组合逻辑，因此，因此，CPLDCPLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑适合用于设计译码等复杂组合逻辑。 FPGAFPGA的制造工艺确定了的制造工艺确定了FPGAFPGA芯片中包含的芯片中包含的LUTLUT和触发器的数量非常和触发器的数量非常多，往往都是几千上万，多，往往都是几千上万，CPLDCPLD一般只能做到一般只能做到512512个逻辑单元，而且如果个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，用芯片价格除以逻辑单元数量，FPGAFPGA的平均逻辑单元成本大大低于的平均逻辑单元成本大大低于CPLDCPLD。 所以所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂的如果设计中使用到

17、大量触发器，例如设计一个复杂的时序时序逻辑，那么使用逻辑，那么使用FPGAFPGA就是一个很好选择就是一个很好选择。 对于初学者，一般使用对于初学者，一般使用CPLDCPLD，因为，因为CPLDCPLD芯片价格低；许多芯片价格低；许多CPLDCPLD为为5V5V，可以直接和，可以直接和CMOSCMOS以及以及TTLTTL电路电压兼容，不必考虑电源转换问题；电路电压兼容，不必考虑电源转换问题；CPLDCPLD很多芯片的封装的是很多芯片的封装的是PLCCPLCC，插拔很方便，而，插拔很方便，而FPGAFPGA一般是一般是QFPQFP封装，封装，一旦损坏，很难从系统电路上取下。但对于产品开发适合选用一旦损坏，很难从系统电路上取下。但对于产品开发适合选用FPGAFPGA。选择选择CPLDCPLD还是还是FPGAFPGA？习习 题题 22.1 PLA和和PAL在结构上有什么区别？在结构上有什么区别？2.2 说明说明GAL的的OLMC有什么特点，它怎样实现可编程组合电有什么特点，它怎样实现可编程组合电路和时序电路？路和时序电路？2.3 简述基于乘积项的可编程逻辑器件的结构特点。简述基于乘积项的可编程逻辑器件的结构特点。2.4 基于查找表的可编程逻辑结构的原理是什么？基于查找表的可编程逻辑结构的原理是什么？2.5 基于乘积项和基于查找表