FPGA与CPLD的结构原理

第2章FPGA与CPLD的结构原理

主要内容2.1PLD概述2.2简单PLD结构原理2.3CPLD结构原理2.4FPGA的结构原理2.5硬件测试2.6大规模PLD产品概述2.7CPLD/FPGA的编程和配置2.1PLD概述

可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice）简称PLD，是由“与”阵列和“或”阵列组成，能有效的以“积之和”的形式实现布尔逻辑函数。基本概念基本类型㈠.可编程只读存储器PROM㈡.可编程逻辑阵列PLA㈢.可编程阵列逻辑PAL㈣.通用阵列逻辑GALCPLD/FPGA复杂类型2.2简单PLD结构原理2.2.1逻辑元件符号表示

2.2简单PLD结构原理2.2.1逻辑元件符号表示

2.2简单PLD结构原理㈠.可编程只读存储器PROMPROM内部结构为“与”阵列固定，“或”阵列可编程。2N输入组合查表输出㈡.可编程逻辑阵列PLAPLA内部结构为“与”、“或”阵列皆可编程。2N乘积线编程输出《CPLD技术及应用》教学课件㈢.可编程阵列逻辑PALPAL内部结构为“与”阵列可编程，“或”阵列固定。2N乘积线输出组合应用实例I2I1I0Q0Q1Q2给出逻辑方程如下：Q0=I0+NOT（I1）×I2Q1=NOT（I0）×I2+NOT（I1）×I2Q2=NOT（I0）×I1+NOT（I1）×I2+NOT（I2）×I0思考：如何实现？答案：此款芯片不能满足设计需要？㈣.通用阵列逻辑GALGAL器件与PAL器件具有相同的内部结构，但靠各种特性组合而被区别。GAL是美国晶格半导体公司（Lattice）为它的可编程逻辑器件注册的专用商标名称。输出逻辑宏单元OLMC（OutputLogicMacroCell）输出逻辑宏单元OLMC（OutputLogicMacroCell）一般逻辑器件举例：GAL16V8GAL器件作为一种通用的可编程逻辑器件，除了“与”阵列可编程改写，还对输出端口设计了可重新改变结构和功能的输出逻辑宏单元。输出口大多表现为缓冲器/驱动器，一旦器件定型，用户不能对它作任何改变。4.复杂可编程逻辑器件——CPLDCPLD——ComplicatedProgrammableLogicDeviceI/OLABFBLABI/OPIALABLAB结构框图三大部分：

I/O块，LAB（功能块）和PIA。组成特点CPLD延伸出2个发展趋势：可擦除PLD和现场可编程门阵列FPGA。CPLD是由PAL或GAL发展而来，是由可编程逻辑的功能块围绕一个位于中心和延时固定的可编程互连矩阵构成。不采用分段互连方式，具有较大的时间可预测性。采用EEPROM工艺16个宏单元组成一个LAB（逻辑阵列快）图2-27MAX7128S的结构

1．逻辑阵列块(LAB)2．宏单元

MAX7000系列中的宏单元

逻辑阵列

乘积项选择矩阵

可编程寄存器

三种时钟输入模式

全局时钟信号

全局时钟信号由高电平有效的时钟信号使能用乘积项实现一个阵列时钟3.扩展乘积项4.可编程连线阵列PIA5.I/O控制块5.现场可编程门阵列——FPGAFPGA——FieldProgrammableGateArrayFPGA内部结构可编程I/O可编程单元可编程布线FPGA现场可编程门阵列通常由布线资源围绕的可编程单元（或宏单元）构成阵列，又由可编程I/O单元围绕阵列构成整个芯片。可编程逻辑功能块CLB实现用户功能的基本单元。可编程I/O单元完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常分布在CLB的四周可编程互连PI采用SRAM工艺包括各种长度的连线和可编程连接开关，将逻辑块与输入/输出块连接起来，构成特定的电路2.5硬件测试

内部逻辑测试JTAG边界扫描嵌入式逻辑分析仪Altera的SignalTapⅡXilinx的ChipScope

边界扫描技术——JTAGJTAG——JointTestActionGroup联合测试行动小组引言随着微电子技术、微封装技术和印制板制造技术的不断发展，印制电路板越来越小，密度和复杂程度越来越来高。面对这样的发展趋势，如果仍沿用传统的外探针测试法和“针床”夹具测试法来全面彻底的测试焊接在电路板上的器件将是难以实现的。多层电路板以及采用贴片封装器件的电路板，将更难以用传统的测试方法加以测试。JTAG方法的提出20世纪80年代，联合测试行动组开发了IEEE1149.1边界扫描测试技术规范。该规范提供了有效的测试引线间隔致密的电路板上零件的能力。如今，几乎所有公司的CPLD/FPGA器件均遵守IEEE规范，为输入/输出引脚及专用配置引脚提供了边界扫描测试BST（Boundary-ScanInterface）的能力。与此类似的是DSP器件，如TI的TMS320系列DSP器件均含JTAG口。JTAG方法的原理FPGA每个输入输出引脚都增加了一个移位寄存器，在测试模式下，这些寄存器用来控制输出引脚的状态和读取输入引脚的状态，从而完成了测试工作。JTAG测试需要的5种信号TCK：测试时钟，用来控制状态机和数据传送；TMS：边界扫描工作模式；TDI：测试数据输入，在TCK上升沿，接收串行数据；TDO：测试数据输出；TRST：测试复位，用于复位状态机。边界扫描测试步骤移位输入和译码指令移位输入测试数据执行测试输出结果2.6大规模PLD产品概述Lattice公司的PLD器件Altera公司的PLD器件Xilinx公司的PLD器件FPGA/CPLD比较/选择/产家逻辑块粒度不同FPGA逻辑单元粒度小，集成度高；CPLD逻辑块大。因此，FPGA集成度一般比CPLD高。

互连结构不同CPLD是集总式的开关互连，延时相等。而FPGA是分布式的，延时不可预测。生产工艺不同CPLD一般是EEPROM工艺，FPGA则是采用SRAM工艺的，因此，FPGA一般需要外挂配置芯片工作，而CPLD则不要。FPGA/CPLD选择速度与性能逻辑利用率延时可预测性设计可更改性配置芯片功耗价格/货源FPGA/CPLD厂家新一代FPGA/PLD开发软件，适合新器件和大规模FPGA的开发，将逐步取代MaxplusII。一种最优秀的PLD开发平台之一，适合开发中小规模PLD/FPGA。开发软件MAX+PLUSII

QuartusII

HDL综合工具MaxplusIIAdvanceSynthsis：语言综合工具。SOPCBuilder：配合QuartusII，完成集成CPU的FPGA芯片的开发工作。DSPBuilder：QuartusII与Matlab的接口，利用IP核在Matlab中快

速完成数字信号处理的仿真和最终FPGA实现《CPLD技术及应用》教学课件33

主流芯片5v/3.3vEEPROM工艺PLD（CPLD），是Altera公司销量最大的产品，已生产5000万片，从32个到1024个宏单元。

MAX3000A是Altera公司99年推出的3.3v低价格EEPROM工艺PLD，从32个到512个宏单元，结构与MAX7000基本一样。MAX7000/MAX3000FLEX10K是98推出的2.5v的SRAM工艺

PLD（FPGA），从3万门到25万门，主要有10K30E,10K50E,10K100E,带嵌入式存储块（EAB）

10KE目前也已使用较少，逐渐被ACEX1K和Cyclone取代。ACEX1K是2000年推出的2.5v低价格SRAM工艺PLD，结构与10KE类似，带嵌入式存储块（EAB）部分型号带PLL，主要有1K10,1K30,1K50,1K100。FLEX10K/ACEX1KAltera最新一代SRAM工艺大规模FPGA，集成硬件乘加器，芯片内部结构比Altera以前的产品有很大变化。StratixVerilog编写的一个32位/16位可编程CPU核，可以集成到各种FPGA中，Altera提供免费开发软件用于软件和硬件开发Cyclone（飓风）Altera最新一代SRAM工艺中等规模FPGA，与Stratix结构类似，是一种低成本FPGA系列，配置芯片也改用新的产品。StratixGXMercury的下一代产品，基于Stratix器件的架构，集成3.125G高速传输接口，用于高性能高速系统设计。Nois软处理器代理商Altera在中国地区代理商是骏龙科技和艾睿电子。FPGA的发明者，老牌PLD公司，是最大可编程逻辑器件供应商之一。99年Xilinx收购了Philips的PLD部门。ISE

开发软件Xilinx公司最新的集成开发的工具

Xilinx公司早期的开发工具，逐步被ISE取代。

Foundation

ISE

Webpack

Xilinx提供的免费开发软件，功能比ISE少一些，可以从Xilinx网站下载。

WebFitter

一个免费的在线开发工具，无需安装，可以开发小规模CPLD。主流芯片XC9500

Flash工艺PLD，分XC95005V器件、XC9500XL3.3V器件和XC9500XV2.5V器件。SPARTAN系列中等规模SRAM工艺FPGA。Virtex/Virtex-E大规模SRAM工艺FPGA。SpartanIII最新一代FPGA产品，结构与VirtexII类似，90nm工艺，已于2004年量产。

代理商Xilinx在中国地区代理商是盈丰Insight科技和AVNET（安富利)。2.7CPLD/FPGA的编程与配置编程工艺：基于点可擦除存储单元EEPROM或Flash技术。特点：掉电后信息不丢失。因此对该类器件（CPLD）称为编程。编程次数有限，编程速度不快。

基于SRAM查找表的编程单元。特点:掉电后信息即丢失，下次上电后，需要重新载入编程信息，因此对该类器件（FPGA）的编程称为配置。编程次数无限，保密性不好。2.7CPLD/FPGA的编程与配置

大规模、超大规模集成电路、其性能已不能单凭器件本身的电路结构评估，需要配备相应的软件才能形成一个整体。软件如何录入“固化”进入器件？方法1：编程器（Programmer）专用编程器和通用编程器方法2