第2章-PLD硬件特性与应用概要课件

第2章PLD硬件特性及应用

第2章PLD硬件特性及应用12.1可编程逻辑器件概述任何组合逻辑都可化成“与-或”表达式；任何时序电路都可由组合电路加上存储元件组成；由此人们提出了一种可编程逻辑电路结构，即乘积项可编程结构基本PLD的原理图2.1可编程逻辑器件概述任何组合逻辑都可化成“与-或”表达22.1可编程逻辑器件概述2.1.2可编程逻辑器件分类1按集成度分PLD按集成度分类2.1可编程逻辑器件概述2.1.2可编程逻辑器件分类PL32.1.2可编程逻辑器件分类2按结构分1）PLD与或阵列结构2）FPGA（FieldProgrammableGateArray）门阵列2.1.2可编程逻辑器件分类2按结构分42.1.2可编程逻辑器件分类3按工艺分1）熔丝或反熔丝编程器件，PROM器件2）UEPROM编程器件，紫外线擦除/电气编程器件3）EEPROM编程器件，电擦写编程器件4）SRAM器件2.1.2可编程逻辑器件分类3按工艺分52.2简单PLD原理2.2.1电路符号表示2.2简单PLD原理2.2.1电路符号表示62.2.1电路符号表示图2-2PLD的互补缓冲器图2-3PLD的互补输入图2-4PLD中与阵列表示图2-5PLD中或阵列的表示图2-6阵列线连接表示

2.2.1电路符号表示图2-2PLD的互补缓冲器图272.2.2PROM原理2.2.2PROM原理82.2.2PROM原理2.2.2PROM原理92.2.3PLA原理PLA：与阵列可编程；或阵列可编程2.2.3PLA原理PLA：与阵列可编程；或阵列可编程102.2.4PAL原理PAL：与阵列可编程；或阵列固定2.2.4PAL原理PAL：与阵列可编程；或阵列固定112.2.5GAL原理逻辑宏单元输入/输出口输入口时钟信号输入三态控制可编程与阵列固定或阵列GAL16V82.2.5GAL原理逻辑宏单元输入/输出口输入口时钟信三态122.3CPLD/FPGA工作原理输入/输出口逻辑块连线资源逻辑块—由基本逻辑单元组成，构成了PLD器件的逻辑组成核心连线资源—连接内部所有单元，不同的逻辑块通过可编程的PIA布线来构成所需的逻辑功能CPLD/FPGA的组成结构2.3CPLD/FPGA工作原理输入/输出口逻辑块连线资源132.3.1CPLD工作原理CPLD：ComplexProgrammableLogicDevice内部互连结构由固定长度的连线资源组成，布线的延迟确定，属确定型结构。逻辑单元主要由“与或阵列”构成。以MAX3000A为例每16个宏单元组成一个逻辑阵列块2.3.1CPLD工作原理CPLD：ComplexPro142.3.1CPLD工作原理可编程与阵列固定或阵列可编程寄存器2.3.1CPLD工作原理可编程与阵列可编程寄存器152.3.2FPGA工作原理FPGA：FieldProgrammableGateArray内部互连结构由多种长度不同的连线资源组成，每次布线的延迟可不同，属统计型结构。逻辑单元主体为由静态存储器（SRAM）构成的函数发生器，即查找表。通过查找表可实现逻辑函数功能。2.3.2FPGA工作原理FPGA：FieldProgr162.3.2FPGA工作原理LUT：LUT本质上就是一个RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把结果事先写入RAM，这样每输入一个信号进行逻辑运算，就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可2.3.2FPGA工作原理LUT：LUT本质上就是一个RA172.3.2FPGA工作原理FPGA查表单元FPGA查找表单元内部结构2.3.2FPGA工作原理FPGA查表单元FPGA182.3.2FPGA工作原理FPGA内基本LE查表单元LUT可编程D触发器2.3.2FPGA工作原理FPGA内基本LE查表单元LU192.3.3FPGA/CPLDFPGA:触发器资源丰富—适用时序逻辑CPLD:乘积项丰富而触发器少—适用组合逻辑CPLD:延时固定CPLD:掉电后重新上电还能保持编程信息FPGA:延时时间不可预测（容易产生竞争-冒险或误码等）FPGA:掉电后重新上电不能保持编程信息，需使用配置芯片2.3.3FPGA/CPLDFPGA:触发器资源丰富—适用202.4产品介绍三家主流公司产品：Altera、Xilinx：数千门~数百万门Lattice：数万门以下2.4产品介绍三家主流公司产品：212.4产品介绍Lattice公司的CPLD器件系列1.ispLSI系列器件2.MACHXO系列3.MACH4000系列4.LatticeSCFPGA系列5.LatticeECP3FPGA系列

2.4产品介绍Lattice公司的CPLD器件系列1.i222.4产品介绍Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列1.Virtex-6系列FPGA2.Spartan-6器件系列3.XC9500/XC9500XL系列CPLD4.XilinxSpartan-3A系列器件5.Xilinx的IP核2.4产品介绍Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列232.4产品介绍Altera公司的FPGA和CPLD器件系列1.Stratix4/6系列FPGA2.Cyclone4系列FPGA3.Cyclone系列FPGA（低成本FPGA）4.CycloneII系列FPGA5.CycloneIII系列FPGA6.MAX系列CPLD7.MAXII系列器件8.Altera宏功能块及IP核

2.4产品介绍Altera公司的FPGA和CPLD器件系列242.4产品介绍Actel公司的FPGA器件低功耗Flash型FPGA：IGLOO系列、ProASIC3系列。混合信号FPGA：Fusion系列耐辐射器件：RTAX-S系列、RTSX-SU系列反熔丝器件：Axcelerator、SX-A、eX、MX系列2.4产品介绍Actel公司的FPGA器件252.4产品介绍ALTERAFPGA常用配置芯片2.4产品介绍ALTERAFPGA常用配置芯片262.5编程与配置大规模可编程逻辑器件的编程工艺有三种（1）基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术。（2）基于SRAM查找表的编程单元。（3）基于反熔丝编程单元。2.5编程与配置大规模可编程逻辑器件的编程工艺有三种272.5编程与配置主要配置方式有三种1）JTAG方式2）主动配置方式AS3）被动配置方式PS2.5编程与配置主要配置方式有三种282.5编程与配置1）JTAG配置方式是由JTAG命令来配置CPLD/FPGA器件的方式。JTAG接口是IEEE1149.1边界扫描测试的标准接口，主要用于芯片测试等功能2.5编程与配置1）JTAG配置方式292.5编程与配置JTAG方式是由JTAG命令来配置CPLD/FPGA器件的方式。主要用于芯片测试等功能

2.5编程与配置JTAG方式是由JTAG命令来配置CPLD302.5编程与配置2.5编程与配置312.5编程与配置2）主动配置方式（AS）由器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程由FPGA控制配置过程2.5编程与配置2）主动配置方式（AS）322.5编程与配置3）被动配置方式（PS）由系统中的其它设备发起并控制配置过程。这些设备可以是Altera的配置芯片，或者是单板上的智能设备FPGA器件在配置过程中完全是被动的，它仅输出一些状态信号来配合配置过程。2.5编程与配置3）被动配置方式（PS）332.5编程与配置2.5编程与配置342.5编程与配置ALTERA的ByteBlaster（MV）下载接口此接口既可作编程下载口，也可作JTAG接口2.5编程与配置ALTERA的ByteBlaster（352.5编程与配置接口各引脚信号名称2.5编程与配置接口各引脚信号名称36主系统通用10针标准配置/下载接口目标板10针标准配置接口PIN1OTP配置器件插座主系统通用目标板10针标准PIN1OTP配置器件插座372.5编程与配置配置芯片当FPGA器件正常工作时，其配置数据存储在SRAM中，而SRAM有易失性，故每次加电配置数据都必须重新载入。Altera为设计者提供了一系列的配置器件来存储配置数据。2.5编程与配置配置芯片382.5编程与配置FPGA专用配置器件2.5编程与配置FPGA专用配置器件39第2章PLD硬件特性及应用

第2章PLD硬件特性及应用402.1可编程逻辑器件概述任何组合逻辑都可化成“与-或”表达式；任何时序电路都可由组合电路加上存储元件组成；由此人们提出了一种可编程逻辑电路结构，即乘积项可编程结构基本PLD的原理图2.1可编程逻辑器件概述任何组合逻辑都可化成“与-或”表达412.1可编程逻辑器件概述2.1.2可编程逻辑器件分类1按集成度分PLD按集成度分类2.1可编程逻辑器件概述2.1.2可编程逻辑器件分类PL422.1.2可编程逻辑器件分类2按结构分1）PLD与或阵列结构2）FPGA（FieldProgrammableGateArray）门阵列2.1.2可编程逻辑器件分类2按结构分432.1.2可编程逻辑器件分类3按工艺分1）熔丝或反熔丝编程器件，PROM器件2）UEPROM编程器件，紫外线擦除/电气编程器件3）EEPROM编程器件，电擦写编程器件4）SRAM器件2.1.2可编程逻辑器件分类3按工艺分442.2简单PLD原理2.2.1电路符号表示2.2简单PLD原理2.2.1电路符号表示452.2.1电路符号表示图2-2PLD的互补缓冲器图2-3PLD的互补输入图2-4PLD中与阵列表示图2-5PLD中或阵列的表示图2-6阵列线连接表示

2.2.1电路符号表示图2-2PLD的互补缓冲器图2462.2.2PROM原理2.2.2PROM原理472.2.2PROM原理2.2.2PROM原理482.2.3PLA原理PLA：与阵列可编程；或阵列可编程2.2.3PLA原理PLA：与阵列可编程；或阵列可编程492.2.4PAL原理PAL：与阵列可编程；或阵列固定2.2.4PAL原理PAL：与阵列可编程；或阵列固定502.2.5GAL原理逻辑宏单元输入/输出口输入口时钟信号输入三态控制可编程与阵列固定或阵列GAL16V82.2.5GAL原理逻辑宏单元输入/输出口输入口时钟信三态512.3CPLD/FPGA工作原理输入/输出口逻辑块连线资源逻辑块—由基本逻辑单元组成，构成了PLD器件的逻辑组成核心连线资源—连接内部所有单元，不同的逻辑块通过可编程的PIA布线来构成所需的逻辑功能CPLD/FPGA的组成结构2.3CPLD/FPGA工作原理输入/输出口逻辑块连线资源522.3.1CPLD工作原理CPLD：ComplexProgrammableLogicDevice内部互连结构由固定长度的连线资源组成，布线的延迟确定，属确定型结构。逻辑单元主要由“与或阵列”构成。以MAX3000A为例每16个宏单元组成一个逻辑阵列块2.3.1CPLD工作原理CPLD：ComplexPro532.3.1CPLD工作原理可编程与阵列固定或阵列可编程寄存器2.3.1CPLD工作原理可编程与阵列可编程寄存器542.3.2FPGA工作原理FPGA：FieldProgrammableGateArray内部互连结构由多种长度不同的连线资源组成，每次布线的延迟可不同，属统计型结构。逻辑单元主体为由静态存储器（SRAM）构成的函数发生器，即查找表。通过查找表可实现逻辑函数功能。2.3.2FPGA工作原理FPGA：FieldProgr552.3.2FPGA工作原理LUT：LUT本质上就是一个RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把结果事先写入RAM，这样每输入一个信号进行逻辑运算，就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可2.3.2FPGA工作原理LUT：LUT本质上就是一个RA562.3.2FPGA工作原理FPGA查表单元FPGA查找表单元内部结构2.3.2FPGA工作原理FPGA查表单元FPGA572.3.2FPGA工作原理FPGA内基本LE查表单元LUT可编程D触发器2.3.2FPGA工作原理FPGA内基本LE查表单元LU582.3.3FPGA/CPLDFPGA:触发器资源丰富—适用时序逻辑CPLD:乘积项丰富而触发器少—适用组合逻辑CPLD:延时固定CPLD:掉电后重新上电还能保持编程信息FPGA:延时时间不可预测（容易产生竞争-冒险或误码等）FPGA:掉电后重新上电不能保持编程信息，需使用配置芯片2.3.3FPGA/CPLDFPGA:触发器资源丰富—适用592.4产品介绍三家主流公司产品：Altera、Xilinx：数千门~数百万门Lattice：数万门以下2.4产品介绍三家主流公司产品：602.4产品介绍Lattice公司的CPLD器件系列1.ispLSI系列器件2.MACHXO系列3.MACH4000系列4.LatticeSCFPGA系列5.LatticeECP3FPGA系列

2.4产品介绍Lattice公司的CPLD器件系列1.i612.4产品介绍Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列1.Virtex-6系列FPGA2.Spartan-6器件系列3.XC9500/XC9500XL系列CPLD4.XilinxSpartan-3A系列器件5.Xilinx的IP核2.4产品介绍Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列622.4产品介绍Altera公司的FPGA和CPLD器件系列1.Stratix4/6系列FPGA2.Cyclone4系列FPGA3.Cyclone系列FPGA（低成本FPGA）4.CycloneII系列FPGA5.CycloneIII系列FPGA6.MAX系列CPLD7.MAXII系列器件8.Altera宏功能块及IP核

2.4产品介绍Altera公司的FPGA和CPLD器件系列632.4产品介绍Actel公司的FPGA器件低功耗Flash型FPGA：IGLOO系列、ProASIC3系列。混合信号FPGA：Fusion系列耐辐射器件：RTAX-S系列、RTSX-SU系列反熔丝器件：Axcelerator、SX-A、eX、MX系列2.4产品介绍Actel公司的FPGA器件642.4产品介绍ALTERAFPGA常用配置芯片2.4产品介绍ALTERAFPGA常用配置芯片652.5编程与配置大规模可编程逻辑器件的编程工艺有三种（1）基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术。（2）基于SRAM查找表的编程单元。（3）基于反熔丝编程单元。2.5编程与配置大规模可编程逻辑器件的编程工艺有三种662.5编程与配置主要配置方式有三种1）JTAG方式2）主动配置方式AS3）被动配置方式PS2.5编程与配置主要配置方式有三种672.5编程与配置1）JTAG配置方式是由JTAG命令来配置CPLD/FPGA器件的方式。JTAG接口是IEEE1149.1边