《FPGA结构与配置》课件

FPGA／CPLD结构与应用《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第1页!

FPGA-FieldProgrammableGateArray

CPLD-ComplexProgrammableLogicDevice

《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第2页!3.1概述图3-1基本PLD器件的原理结构图《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第3页!3.1.1可编程逻辑器件的发展历程70年代80年代90年代PROM和PLA器件改进的PLA器件GAL器件FPGA器件EPLD器件CPLD器件内嵌复杂功能模块的SoPC《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第4页!3.2简单PLD原理3.2.1电路符号表示图3-3常用逻辑门符号与现有国标符号的对照《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第5页!3.2.2PROM图3-9PROM基本结构：其逻辑函数是：《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第6页!3.2.2PROM图3-11PROM表达的PLD图阵列图3-12用PROM完成半加器逻辑阵列《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第7页!3.2.3PLA图3-14PLA与PROM的比较《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第8页!3.2.4PAL图3-17一种PAL16V8的部分结构图《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第9页!GAL：

GeneralArrayLogicDevice最多有8个或项，每个或项最多有32个与项EPLDErasableProgrammableLogicDevice乘积项逻辑3.2.5GAL《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第10页!3.2.5GAL图3-19寄存器输出结构图3-20寄存器模式组合双向输出结构《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第11页!3.2.5GAL图3-23反馈输入结构图3-24输出反馈结构《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第12页!3.3CPLD结构与工作原理图3-26MAX7000系列的单个宏单元结构PRNCLRNENA逻辑阵列全局清零共享逻辑扩展项清零时钟清零选择寄存器旁路并行扩展项通往I/O模块通往PIA乘积项选择矩阵来自I/O引脚全局时钟QDEN来自PIA的36个信号快速输入选择2《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第13页!3.3CPLD结构与工作原理(2)宏单元(3)扩展乘积项图3-28共享扩展乘积项结构《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第14页!3.3CPLD结构与工作原理(4)可编程连线阵列(5)不同的LAB通过在可编程连线阵列(PIA)上布线，以相互连接构成所需的逻辑。图3-30PIA信号布线到LAB的方式《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第15页!3.4FPGA结构与工作原理3.4.1查找表图3-33FPGA查找表单元内部结构图3-32FPGA查找表单元：《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第16页!0000010100000101输入A输入B输入C输入D查找表输出16x1RAM查找表原理多路选择器《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第17页!连续布线和分段布线的比较连续布线=每次设计重复的可预测性和高性能连续布线(Altera基于查找表（LUT）的FPGA)LABLE《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第18页!(1)逻辑单元LE图3-35LE(LC)结构图数据1Lab控制3LE输出进位链级联链查找表

(LUT)清零和预置逻辑时钟选择进位输入级联输入进位输出级联输出Lab控制1CLRNDQ数据2数据3数据4Lab控制2Lab控制4《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第19页!(1)逻辑单元LE图3-37两种不同的级联方式“与”级联链“或”级联链LUTLUTIN[3..0]IN[4..7]LUTIN[(4n-1)..4(n-1)]LUTLUTIN[3..0]IN[4..7]LUTIN[(4n-1)..4(n-1)]LE1LE2LEnLE1LE2LEn0.6ns2.4ns16位地址译码速度可达2.4+0.6x3=4.2ns《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第20页!(3)快速通道(FastTrack)(4)I/O单元与专用输入端口图3-39IO单元结构图《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第21页!(5)嵌入式阵列块EAB是在输入、输出口上带有寄存器的RAM块，是由一系列的嵌入式RAM单元构成。图3-40用EAB构成不同结构的RAM和ROM输出时钟DRAM/ROM256x8512x41024x22048x1DDD写脉冲电路输出宽度8,4,2,1

数据宽度8,4,2,1地址宽度8,9,10,11写使能输入时钟《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第22页!存储器容量(单位:Bit)典型可用门EPF10K10/AEPF10K20EPF10K30/AEPF10K40EPF10K5/VEPF10K70EPF10K100/AEPF10K130VEPF10K250AFLEX10K系列逻辑规模《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第23页!工艺改进促使供电电压降低5.0V3.3V2.5V1.8V崩溃电压供电电压《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第24页!资料来源：美国Altera公司5.0V3.3V2.5V1.8V初始设计百分比FPGA/CPLD不同芯核电压器件流行趋势

《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第25页!LATTICEVANTIS（AMD）ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8KispLSI1016、ispLSI2032、ispLSI1032E、ispLSI3256AMACH系列ispPAC系列：其他PLD公司：ACTEL公司：ACT1/2/3、40MXATMEL公司：ATF1500AS系列、40MXCYPRESS公司QUIKLOGIC公司

CPLDSOMUCHIC！FPGACPLD4、FPGA/CPLD生产商《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第26页!3.5FPGA/CPLD测试技术3.5.1内部逻辑测试3.5.2JTAG边界扫描测试图3-41边界扫描电路结构《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第27页!图3-42边界扫描数据移位方式3.5.2JTAG边界扫描测试《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第28页!图3-44JTAGBST系统与与FLEX器件关联结构图《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第29页!3.6FPGA/CPLD产品概述3.6.1Lattice公司CPLD器件系列1.ispLSI器件系列ispLSI1000E系列ispLSI2000E/2000VL/200VE系列ispLSI5000V系列ispLSI8000/8000V系列2.

ispLSI器件的结构与特点:采用UltraMOS工艺。系统可编程功能。边界扫描测试功能。加密功能。短路保护功能。《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第30页!3.6.3Altera公司FPGA和CPLD器件系列1.Stratix系列FPGA2.APEX系列FPGA3.ACEX系列FPGA4.FLEX系列FPGA5.MAX系列CPLD6.Altera宏功能块及IP核《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第31页!3.7CPLD和FPGA的编程与配置图3-4610芯下载口表3-3图3-46接口各引脚信号名称《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第32页!

CPLD的编程方案PC机JTAG编程端口CPLDPC机isp编程端口CPLD编程适配电路编程适配电路JTAG编程信号：TCK、TDO、TMS、TDI《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第33页!ISP功能提高设计和应用的灵活性减少对器件的触摸和损伤不计较器件的封装形式允许一般的存储样机制造方便支持生产和测试流程中的修改允许现场硬件升级迅速方便地提升功能未编程前先焊接安装系统内编程--ISP在系统现场重编程修改《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第34页!

FPGA的配置方案《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第35页!

FPGA配置JTAG配置端口FPGAPS配置端口PC机配置适配电路配置器件或配置电路AS配置端口专用FLASH配置器件《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第36页!图3-48多CPLD芯片ISP编程连接方式3.7.1CPLD的ISP方式编程《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第37页!图3-50多FPGA芯片配置电路《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第38页!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《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第39页!图3-52FPGA的配置电路原理图OTP配置器件：EPC1441、EPC1、EPC1213等

方案2:PS端口OTP专用器件配置缺点：1、芯片价格高。2、只能一次编程。3、可配置的FPGA规模小，不能用于SOPC系统配置。4、无法用于实时多任务重配置《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第40页!选择GlobalProjectDevice…项

编译前选择配置器件注意，被编译文件的工程名为“DAC”，因此，其配置文件名应该为“DAC.POF”《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第41页!

编译！《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第42页!器件接插方式进入工程文件夹，选择编程文件选择编程文件双击编程文件后，进入“Filetype”窗，选择文件类型为“POF”：ProgrammingOutputFile《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第43页!开始编程《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第44页!3.7.4用专用配置器件配置FPGA图3-53EPC2配置FPGA的电路原理图EPC2可以多次重复编程，且是isp方式编程外部上拉电阻1KX5《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第45页!

FPGA的ispFLASH配置器件

EPC2/4/8/16使用方法《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第46页!

编译！《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第47页!对EPC2编程文件名编程器件名开始编程《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第48页!方案4:AS端口FLASH专用器件配置

PC机Cyclone系列FPGAEPCSX配置芯片ByteBlasterII配置电路配置

编程AS配置端口ByteBlaster(MV)配置电路ByteBlasterII配置电路POF硬件购建配置文件Nios工作软件Nios嵌入式系统缺点：1、只适合于Cyclone系列器件2、无法用于实时多任务重配置《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第49页!单片机产生配置时序、读取EPROM中的配置数据EPROM中放置多个不同功能的配置文件对FPGA进行配置《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第50页!图3-55单片机使用PPS模式配置时序《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第51页!各种规模的FPGAASIC/CPLD大容量EPROMPS配置端口DCLKCONF_DONEnCONFIGnSTATUSDATA0方案6:PS端口ASIC/CPLD硬件高速配置方案I/O端口缺点：1、电路面积比较大《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第52页!FPGA的配置和重配置

（RECONFIGURATION）《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第53页!1、ALTERA公司：Byteblaster(MV)2、ALTERA公司：ByteblasterII普通下载器SOPC开发下载器3、LATTICE公司：isp编程器4、LATTICE公司：JTAG编程器5、XILINX公司：isp编程器6、XILINX公司：JTAG编程器7、VANTIS公司：JTAG编程器8、ATMEL公司：isp编程器康芯公司GW48系列EDA/SOPC开发系统通用编程配置电路含多模式集成编程下载电路模块《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第54页!通过EDA工具中的LPM模块调用如LPM_ROM，LPM_FIFO等FPGA中的硬件EAB/ESB硬核IP或嵌入式硬件模块（如EAB）调用图示通过LPM编辑器或直接编辑设计（调用），以及参数设定LPM模块的相关底层文件（或元件）顶层系统调用《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第55页!规范的配置方案JTAG端口FPGAPS配置端口PC机配置适配电路配置器件或配置电路FPGAPS配置端口PC机配置适配电路配置器件或配置电路不规范的配置方案《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第56页!1、全开方手工接线方案EDA实验系统键控与时钟等输入信号插孔发光管、数码管、点阵等输出显示器件插孔各种接口器件插孔。器件如ROM、RAM、A/D、D/A、面包板等RS232、PS/2、VGA、并行口等接插口插孔《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第57页!3、重配置电子切换方案《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第58页!3.1.2可编程逻辑器件的分类图3-2按集成度(PLD)分类《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第59页!3.2.1电路符号表示图3-4PLD的互补缓冲器图3-5PLD的互补输入图3-6PLD中与阵列表示图3-7PLD中或阵列的表示图3-8阵列线连接表示

《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第60页!3.2.2PROM图3-10PROM的逻辑阵列结构逻辑函数表示：《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第61页!3.2.3PLA图3-13PLA逻辑阵列示意图《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第62页!3.2.4PAL图3-15PAL结构：图3-16PAL的常用表示：《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第63页!3.2.5GAL图3-18GAL16V8的结构图《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第64页!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GAL16V8《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第65页!3.2.5GAL图3-21组合输出双向结构图3-22复合型组合输出结构《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第66页!3.2.5GAL图3-25简单模式输出结构《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第67页!3.3CPLD结构与工作原理(1)逻辑阵列块(LAB)图3-27-MAX7128S的结构《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第68页!图3-29并联扩展项馈送方式《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第69页!(6)I/O控制块图3-31-EPM7128S器件的I/O控制块《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第70页!一个N输入查找表(LUT，LookUpTable)可以实现N个输入变量的任何逻辑功能，如

N输入“与”、

N输入“异或”等。输入多于N个的函数、方程必须分开用几个查找表（LUT）实现输出查黑找盒表子输入1输入2输入3输入4什么是查找表?基于查找表的结构模块

《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第71页!3.4.2FLEX10K系列器件图3-34FLEX10K内部结构...IOCIOCIOCIOC......IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC逻辑单元...IOCIOC...IOCIOCIOCIOC...快速通道互连逻辑阵列块(LAB)IOCIOC...《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第72页!...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCFLEX10K系列FPGA结构图...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCEABEAB嵌入式阵列块《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第73页!(1)逻辑单元LE图3-36进位链连通LAB中的所有LE快速加法器,比较器和计数器DFF进位输入(来自上一个逻辑单元)S1LE1查找表LUT进位链DFFS2LE2A1B1A2B2进位输出(到LAB中的下一个逻辑单元)进位链查找表LUT《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第74页!(2)逻辑阵列LAB是由一系列的相邻LE构成的图3-38-FLEX10KLAB的结构图《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第75页!EAB的大小灵活可变通过组合EAB可以构成更大的模块不需要额外的逻辑单元，不引入延迟，EAB可配置为深度达2048的存储器EAB的字长是可配置的256x8512x41024x22048x1256x8256x8512x4512x4256x16512x8《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第76页!EAB可以用来实现乘法器

VS非流水线结构,使用35个LE,速度为34MHz

流水线结构速度为100MHz,EAB8890MHz用EAB实现的流水线乘法器操作速度可达90MHz!实例:4x4乘法器+(6LE)+(6LE)+(7LE)8LELELELELELELELELELELELELELELELE《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第77页!管芯尺寸比较AlteraEPF10K100A相对管芯尺寸：1.00.35µ工艺4,992个逻辑单元(LE)12个EABXilinxXC4062XL相对管芯尺寸：1.910.35µ工艺相当于4,608个逻辑单元(LE)*没有EABAlteraEPF10K100E相对管芯尺寸：0.60.25µ工艺4,992个逻辑单元(LE)12个EAB*1个CLB相当于2两个LE《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第78页!FPGA/CPLD多电压兼容系统内核电压3.3V、2.5V或1.8V

接受2.5V、3.3V或者5.0V输入输出电位标准Vccio《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第79页!4、FPGA/CPLD生产商ALTERAFPGA：FLEX系列：10K、10A、10KE，EPF10K30E

APEX系列：20K、20KEEP20K200EACEX系列：1K系列EP1K30、EP1K100

STRATIX系列：EP1系列EP1S30、EP1S120CPLD：MAX7000/S/A/B系列：EPM7128SMAX9000/A系列FPGA：XC3000系列，XC4000系列，XC5000系列

Virtex系列

SPARTAN系列：XCS10、XCS20、XCS30CPLD：XC9500系列：XC95108、XC95256XILINX《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第80页!ALTERA

FPGA：FLEX系列：10K、10A、10KE，EPF10K30E

APEX系列：20K、20KEEP20K200E

ACEX系列：1K系列EP1K30、EP1K100

STRATIX系列：EP1系列EP1S30、EP1S120

CYCLONE系列：EP1C20EXCALIBUR系列：CPLD：MAX7000/S/A/B系列：EPM7128SMAX9000/A系列

MAX3000系列《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第81页!3.5.2JTAG边界扫描测试表3-1边界扫描IO引脚功能《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第82页!图3-43JTAGBST系统内部结构《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第83页!图3-45JTAGBST选择命令模式时序TAP控制器的命令模式有：SAMPLE／PRELOAD指令模式EXTEST指令模式BYPASS指令模式IDCODE指令模式USERCODE指令模式《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第84页!3.6.2Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列1.VirtexE系列FPGA2.SpartanⅡ器件系列3.XC9500系列CPLD4.XilinxFPGA配置器件SPROM5.Xilinx的IP核《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第85页!3.6.4Altera公司的FPGA配置方式与器件系列表3-2AlteraFPGA常用配置器件《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第86页!

FPGA与CPLD的配置与编程方案《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第87页!CPLDisp--IN-SYSTEM-PROGRAMMERBALELATTICE的isp下载方式《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第88页!此接口既可作编程下载口，也可作JTAG接口ALTERA的ByteBlaster（MV）下载接口《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第89页!FPGA的3种常用的标准下载配置模式1、PassiveSerialMode3、JTAGMode2、ActiveSerialMode《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第90页!3.7.1CPLD的JTAG方式编程图3-47CPLD编程下载连接图TCK、TDO、TMS、TDI为CPLD的JTAG口对CPLD编程《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第91页!3.7.2使用PC并行口配置FPGA图3-49FLEX10KPS模式配置时序

《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第92页!FLEX、ACEX、APEX等系列

FPGA器件配置连线图

注意：1、不要忘了将多片配置控制信号nCE

引脚接地！2、作为PS配置模式，不要忘了将配置模式控制信号脚MSEL1和

MSEL0都接地！FLEX、ACEX、APEX系列FPGA配置电路FPGAPassiveSerialConfiguration被动串行配置模式10针标准配置/下载接口通过配置电路后与PC机的并行接口相接对FPGA配置方案1:PS端口直接配置《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第93页!图3-51FPGA使用EPC配置器件的配置时序

3.7.3用专用配置器件配置FPGA《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第94页!

FPGA的OTP配置器件使用方法《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第95页!对于低芯核电压FPGA（如EP1K30），需选择此项，电路中的配置芯片应该接3.3V工作电压。选择配置芯片的型号为EPC1PC8选择PS模式《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第96页!选择配置器件生产商

打开通用编程器编程窗选择器件类型选择器件型号《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第97页!编程缓冲器中的DAC.POF文件码注意文件芯片型号是否对！打开编程窗口编程窗《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第98页!将编程完毕的配置器件插在相应的电路系统上《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第99页!DCLKnCSnINIT_CONFOEDATA

PC机FPGAEPC2配置芯片配置电路和JTAG编程端口DCLKCONF_DONEnCONFIGnSTATUSDATA0TCKTMSTDOTDITCKTMSTDOTDI配置

编程利用FLASH结构的EPC2为FPGA作配置方案3:PS端口E平方专用器件配置缺点：1、芯片价格高。2、可多次编程次数少。3、无法用于实时多任务重配置《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第100页!如果没有使用外部上拉电阻，则必须选择此项选择配置器件型号：EPC2LC20《FPGA结构与配置》课件共113页，您现在浏览的是第101页!编程前，首先打开编程器窗口然后用鼠标双击此文件名于是弹出编程文件选择窗双击此编程文件名：DAC