数字系统设计与Verilog第2章课件

第2章

FPGA/CPLD器件第2章FPGA/CPLD器件12.1PLD器件概述2.2PLD的基本原理与结构2.3低密度PLD的原理与结构2.4CPLD的原理与结构2.5FPGA的原理与结构2.6FPGA/CPLD的编程元件2.7边界扫描测试技术2.8FPGA/CPLD的编程与配置2.9FPGA/CPLD器件概述2.10FPGA/CPLD的发展趋势内容第2章FPGA/CPLD器件

2.1PLD器件概述内容第2章FPGA/CPLD器件22.1PLD器件概述PLD的发展历程熔丝编程的PROM和PLA器件

AMD公司推出PAL器件

GAL器件

FPGA器件

EPLD器件

CPLD器件

内嵌复杂功能模块的SoPC2.1PLD器件概述PLD的发展历程熔丝编程的PROM3◆

1985年，美国Xilinx公司推出了现场可编程门阵列（FPGA，FieldProgrammableGateArray）◆CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice），即复杂可编程逻辑器件，是从EPLD改进而来的。PLD的发展◆1985年，美国Xilinx公司推出了现场可编程门阵列4PLD的集成度分类一般将GAL22V10（500门~750门）作为简单PLD和高密度PLD的分水岭PLD的集成度分类一般将GAL22V10（500门~750门5四种SPLD器件的区别

四种SPLD器件的区别6PLD器件按照可以编程的次数可以分为两类：(1)一次性编程器件（OTP，OneTimeProgrammable）(2)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，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。按编程特点分类PLD器件按照可以编程的次数可以分为两类：按编程特点分类7(1)熔丝（Fuse）(2)反熔丝（Antifuse）编程元件(3)紫外线擦除、电可编程，如EPROM。(4)电擦除、电可编程方式，(EEPROM、快闪存储器（FlashMemory）），如多数CPLD(5)静态存储器（SRAM）结构，如多数FPGA

按编程元件和编程工艺分类非易失性器件易失性器件(1)熔丝（Fuse）按编程元件和编程工艺分类非易失性易失性8PLD器件的原理结构图

2.2PLD的基本原理与结构PLD器件的原理结构图2.2PLD的基本原理与结构9数字电路符号表示

数字逻辑电路的两种国标符号对照

数字电路符号表示数字逻辑电路的两种国标符号对照10PLD电路符号表示

PLD的输入缓冲电路

PLD与阵列表示PLD或阵列表示PLD电路符号表示PLD的输入缓冲电路PLD与阵列表示P11PLD连接表示法PLD连接表示法122.3低密度PLD的原理与结构PROM

PROM的逻辑阵列结构

2.3低密度PLD的原理与结构PROMPROM的13PROM

PROM表达的PLD阵列图PROMPROM表达的PLD阵列图14PROM

用PROM完成半加器逻辑阵列

PROM用PROM完成半加器逻辑阵列15PLAPLA逻辑阵列示意图

PLAPLA逻辑阵列示意图16PAL

PAL结构

PAL的常用表示

PALPAL结构17PALPAL22V10部分结构图PALPAL22V10部分结构图18GALGAL22V10的结构（局部）

GALGAL22V10的结构（局部）19

GAL22V10的OLMC结构GAL22V10的OLMC结构20CPLD器件的结构2.4CPLD的原理与结构CPLD器件2.4CPLD的原理与结构21CPLD器件宏单元内部结构示意图CPLD器件宏单元内部结构示意图22典型CPLD器件的结构

MAX7000S器件的内部结构

典型CPLD器件的结构MAX7000S器件的内部结构23

MAX7000S器件的宏单元结构MAX7000S器件的宏单元结构24MispLSI1032器件的GLB的结构MispLSI1032器件的GLB的结构25XC9500器件的宏单元结构

XC9500器件的宏单元结构262.5FPGA的原理与结构

查找表结构

2.5FPGA的原理与结构查找表结构27查找表原理查找表原理28查找表结构

4输入LUT及内部结构图

查找表结构4输入LUT及内部结构图29FPGA器件的内部结构示意图

FPGA器件的内部结构示意图30典型FPGA的结构

XC4000器件的CLB结构典型FPGA的结构XC4000器件的CLB结构31

Cyclone器件的LE结构（普通模式）典型FPGA的结构

Cyclone器件的LE结构（普通模式）典型FPGA的结321．熔丝(Fuse)型器件2．反熔丝(Anti-fuse)型器件

3．EPROM型，紫外线擦除电可编程4．EEPROM型

6．SRAM型

5．Flash型

2.6FPGA/CPLD的编程元件

1．熔丝(Fuse)型器件2．反熔丝(Anti-fuse)33边界扫描电路结构

为了解决超大规模集成电路（VLSI）的测试问题，自1986年开始，IC领域的专家成立了“联合测试行动组”（JTAG，JointTestActionGroup），并制定出了IEEE1149.1边界扫描测试（BST，BoundaryScanTest）技术规范2.7边界扫描测试技术

边界扫描电路结构为了解决超大规模集成电路（VLSI）的测试34引

脚描

述功

能TDI测试数据输入(TestDataInput)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。TDO测试数据输出(TestDataOutput)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，该引脚处于高阻态。TMS测试模式选择(TestModeSelect)控制信号输入引脚，负责TAP控制器的转换。TMS必须在TCK的上升沿到来之前稳定。TCK测试时钟输入(TestClockInput)时钟输入到BST电路，一些操作发生在上升沿，而另一些发生在下降沿。TRST测试复位输入(TestResetInput)低电平有效，异步复位边界扫描电路(在IEEE规范中，该引脚可选)。边界扫描IO引脚功能引脚描述功能TDI测试数据输入(TestData35边界扫描数据移位方式

边界扫描数据移位方式362.8FPGA/CPLD的编程与配置未编程前先焊接安装减少对器件的触摸和损伤不计较器件的封装形式系统内编程--ISP样机制造方便支持生产和测试流程中的修改在系统现场重编程修改允许现场硬件升级迅速方便地提升功能ISP功能提高设计和应用的灵活性2.8FPGA/CPLD的编程与配置未编程前先焊接安装减37下载接口引脚信号名称

引脚12345678910PS模式DCKGNDCONF_DONEVCCnCONFIG-nSTATUS-DATA0GNDJATG模式TCKGNDTDOVCCTMS---TDIGND2.8FPGA/CPLD的编程与配置USB-Blaster下载电缆下载接口引脚信号名称引脚12345678910PS模式DC38JTAG方式的在系统编程

CPLD编程下载连接图

JTAG方式的在系统编程CPLD编程下载连接图39JTAG方式的在系统编程多个MAX器件的JTAG链配置方式JTAG方式的在系统编程多个MAX器件的JTAG链配置方式40FPGA器件的配置Cyclone器件的AS模式配置电路

FPGA器件的配置Cyclone器件的AS模式配置电路41FPGA专用配置器件

EPCS器件配置FPGA的电路原理图

FPGA专用配置器件EPCS器件配置FPGA的电路原理图42使用单片机配置FPGA

微处理器PS模式配置FPGA的电路连接图

使用单片机配置FPGA微处理器PS模式配置FPGA的电路连432.9FPGA/CPLD器件概述Lattice公司CPLD器件系列ispLSI器件的结构与特点

（1）采用UltraMOS工艺。（2）系统可编程功能，所有的ispLSI器件均支持ISP功能。（3）边界扫描测试功能。（4）加密功能。（5）短路保护功能。2.9FPGA/CPLD器件概述Lattice公司CPL442.9FPGA/CPLD器件概述

Lattice公司CPLD器件系列ispMACH4000系列

LatticeEC&ECP系列

ispMACH4000系列CPLD器件有3.3V、2.5V和1.8V三种供电电压，分别属于ispMACH4000V、ispMACH4000B和ispMACH4000C器件系列。

2.9FPGA/CPLD器件概述Lattice公司CP452.9FPGA/CPLD器件概述

Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列

1.Virtex-4系列FPGA2.SpartanⅡ&Spartan-3&Spartan3E器件系列

3.XC9500&XC9500XL系列CPLD4.XilinxFPGA配置器件SPROM5.Xilinx的IP核

2.9FPGA/CPLD器件概述Xilinx公司的FP462.9FPGA/CPLD器件概述

Altera公司FPGA和CPLD器件系列

1.StratixII系列FPGA2.Stratix系列FPGA3.ACEX系列FPGA4.FLEX系列FPGA5.MAX系列CPLD6.Cyclone系列FPGA低成本FPGA7.CycloneII系列FPGA8.MAXII系列器件

9.Altera宏功能块及IP核

2.9FPGA/CPLD器件概述Altera公司FPG472.10FPGA/CPLD的发展趋势

1）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

3）向高速可预测延时的方向发展

4）在PLD器件内嵌入更多功能模块

5）向模数混合可编程方向发展

2.10FPGA/CPLD的发展趋势1）向大规模、高集48习题2

2.1PLA和PAL在结构上有什么区别？2.2说明GAL的OLMC有什么特点，它怎样实现可编程组合电路和时序电路？2.3简述基于乘积项的可编程逻辑器件的结构特点。2.4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的结构各有什么优点？2.6CPLD和FPGA在结构上有什么明显的区别，各有何特点？2.7FPGA器件中的存储器块有何作用？2.8Altera的MAXⅡ器件是属于CPLD还是FPGA，请查阅有关资料并进行分析。2.9边界扫描技术有什么优点？2.10说说JTAG接口都有哪些功能。2.11FPGA/CPLD器件未来的发展趋势有哪些？习题22.1PLA和PAL在结构上有什49第2章

FPGA/CPLD器件第2章FPGA/CPLD器件502.1PLD器件概述2.2PLD的基本原理与结构2.3低密度PLD的原理与结构2.4CPLD的原理与结构2.5FPGA的原理与结构2.6FPGA/CPLD的编程元件2.7边界扫描测试技术2.8FPGA/CPLD的编程与配置2.9FPGA/CPLD器件概述2.10FPGA/CPLD的发展趋势内容第2章FPGA/CPLD器件

2.1PLD器件概述内容第2章FPGA/CPLD器件512.1PLD器件概述PLD的发展历程熔丝编程的PROM和PLA器件

AMD公司推出PAL器件

GAL器件

FPGA器件

EPLD器件

CPLD器件

内嵌复杂功能模块的SoPC2.1PLD器件概述PLD的发展历程熔丝编程的PROM52◆

1985年，美国Xilinx公司推出了现场可编程门阵列（FPGA，FieldProgrammableGateArray）◆CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice），即复杂可编程逻辑器件，是从EPLD改进而来的。PLD的发展◆1985年，美国Xilinx公司推出了现场可编程门阵列53PLD的集成度分类一般将GAL22V10（500门~750门）作为简单PLD和高密度PLD的分水岭PLD的集成度分类一般将GAL22V10（500门~750门54四种SPLD器件的区别

四种SPLD器件的区别55PLD器件按照可以编程的次数可以分为两类：(1)一次性编程器件（OTP，OneTimeProgrammable）(2)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，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。按编程特点分类PLD器件按照可以编程的次数可以分为两类：按编程特点分类56(1)熔丝（Fuse）(2)反熔丝（Antifuse）编程元件(3)紫外线擦除、电可编程，如EPROM。(4)电擦除、电可编程方式，(EEPROM、快闪存储器（FlashMemory）），如多数CPLD(5)静态存储器（SRAM）结构，如多数FPGA

按编程元件和编程工艺分类非易失性器件易失性器件(1)熔丝（Fuse）按编程元件和编程工艺分类非易失性易失性57PLD器件的原理结构图

2.2PLD的基本原理与结构PLD器件的原理结构图2.2PLD的基本原理与结构58数字电路符号表示

数字逻辑电路的两种国标符号对照

数字电路符号表示数字逻辑电路的两种国标符号对照59PLD电路符号表示

PLD的输入缓冲电路

PLD与阵列表示PLD或阵列表示PLD电路符号表示PLD的输入缓冲电路PLD与阵列表示P60PLD连接表示法PLD连接表示法612.3低密度PLD的原理与结构PROM

PROM的逻辑阵列结构

2.3低密度PLD的原理与结构PROMPROM的62PROM

PROM表达的PLD阵列图PROMPROM表达的PLD阵列图63PROM

用PROM完成半加器逻辑阵列

PROM用PROM完成半加器逻辑阵列64PLAPLA逻辑阵列示意图

PLAPLA逻辑阵列示意图65PAL

PAL结构

PAL的常用表示

PALPAL结构66PALPAL22V10部分结构图PALPAL22V10部分结构图67GALGAL22V10的结构（局部）

GALGAL22V10的结构（局部）68

GAL22V10的OLMC结构GAL22V10的OLMC结构69CPLD器件的结构2.4CPLD的原理与结构CPLD器件2.4CPLD的原理与结构70CPLD器件宏单元内部结构示意图CPLD器件宏单元内部结构示意图71典型CPLD器件的结构

MAX7000S器件的内部结构

典型CPLD器件的结构MAX7000S器件的内部结构72

MAX7000S器件的宏单元结构MAX7000S器件的宏单元结构73MispLSI1032器件的GLB的结构MispLSI1032器件的GLB的结构74XC9500器件的宏单元结构

XC9500器件的宏单元结构752.5FPGA的原理与结构

查找表结构

2.5FPGA的原理与结构查找表结构76查找表原理查找表原理77查找表结构

4输入LUT及内部结构图

查找表结构4输入LUT及内部结构图78FPGA器件的内部结构示意图

FPGA器件的内部结构示意图79典型FPGA的结构

XC4000器件的CLB结构典型FPGA的结构XC4000器件的CLB结构80

Cyclone器件的LE结构（普通模式）典型FPGA的结构

Cyclone器件的LE结构（普通模式）典型FPGA的结811．熔丝(Fuse)型器件2．反熔丝(Anti-fuse)型器件

3．EPROM型，紫外线擦除电可编程4．EEPROM型

6．SRAM型

5．Flash型

2.6FPGA/CPLD的编程元件

1．熔丝(Fuse)型器件2．反熔丝(Anti-fuse)82边界扫描电路结构

为了解决超大规模集成电路（VLSI）的测试问题，自1986年开始，IC领域的专家成立了“联合测试行动组”（JTAG，JointTestActionGroup），并制定出了IEEE1149.1边界扫描测试（BST，BoundaryScanTest）技术规范2.7边界扫描测试技术

边界扫描电路结构为了解决超大规模集成电路（VLSI）的测试83引

脚描

述功

能TDI测试数据输入(TestDataInput)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。TDO测试数据输出(TestDataOutput)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，该引脚处于高阻态。TMS测试模式选择(TestModeSelect)控制信号输入引脚，负责TAP控制器的转换。TMS必须在TCK的上升沿到来之前稳定。TCK测试时钟输入(TestClockInput)时钟输入到BST电路，一些操作发生在上升沿，而另一些发生在下降沿。TRST测试复位输入(TestResetInput)低电平有效，异步复位边界扫描电路(在IEEE规范中，该引脚可选)。边界扫描IO引脚功能引脚描述功能TDI测试数据输入(TestData84边界扫描数据移位方式

边界扫描数据移位方式852.8FPGA/CPLD的编程与配置未编程前先焊接安装减少对器件的触摸和损伤不计较器件的封装形式系统内编程--ISP样机制造方便支持生产和测试流程中的修改在系统现场重编程修改允许现场硬件升级迅速方便地提升功能ISP功能提高设计和应用的灵活性2.8FPGA/CPLD的编程与配置未编程前先焊接安装减86下载接口引脚信号名称

引脚12345678910PS模式DCKGNDCONF_DONEVCCnCONFIG-nSTATUS-DATA0GNDJATG模式TCKGNDTDOVCCTMS---TDIGND2.8FPGA/CPLD的编程与配置USB-Blaster下载电缆下载接口引脚信号名称引脚12345678910PS模式DC87JTAG方式的在系统编程

CPLD编程下载连接图

JTAG方式的在系统编程CPLD编程下载连接图88JTAG方式的在系统编程多个MAX器件的JTAG链配置方式JTAG方式的在系统编程多个MAX器件的JTAG链配置方式89FPGA器件的配置Cyclone器件的AS模式配置电路

FPGA器件的配置Cyclone器件的AS模式配置电路90FPGA专用配置器件

EPCS器件配置FPGA的电路原理图

FPGA专用配置器件EPCS器件配置FPGA的电路原理图91使用单片机配置FPGA

微处理器PS模式配置FPGA的电路连接图

使用单片机配置FPGA微处理器PS模式配置FPGA的电路连922.9FPGA/CPLD器件概述Lattice公司CPLD器件系列ispLSI器件的结构与特点

（1）采用UltraMOS工艺。（2）系统可编程功能，所有的ispLSI器件均支持ISP功能。（3）边界扫描测试功能。（4）加密功能。（5）短路保护功能。2.9FPGA/CPLD器件概述Lattice公司CPL932.9FPGA/CPLD器件概述

Lattice公司CPLD器件系列ispMACH4000系列

LatticeEC&ECP系列

ispMACH4000系列CPLD器件有3.3V、2.5V和1.8V三种供电电压，分别属于ispMACH4000V、ispMACH4000B和ispMACH4000C