电子系统设计基础3

第3章可编程逻辑器件的

工作原理

集成电路的分类(按制作方式)IC:IntegratedCircuit集成电路的分类(按集成度)小规模集成电路(SSI:SmallScaleIntegratedCircuit):逻辑门10个以下或晶体管100以下;中规模集成电路(MSI:Medium):逻辑门10～100个,晶体管100～1000个;

大规模集成电路(LSI:Large):逻辑门100～1000个,晶体管103～104个;

集成电路的分类(按集成度)超大规模集成电路(VLSI:VeryLarge):逻辑门103～104个,晶体管104～105个;甚大规模集成电路(ULSI:UltraLarge):逻辑门105～106个,晶体管106～107个;巨大规模集成电路(GLSI:GigaLarge):逻辑门106个以上,晶体管107个以上

。3.1概述

3.1.1可编程逻辑器件的发展早期是存储器：只读存储器（PROM）紫外线可擦除只读存储器（EPROM）电可擦除只读存储器（EEPROM）

PROM编程原理其后出现了结构复杂一些的可编程逻辑器件（PLD：ProgrammableLogicDevices）

可编程阵列逻辑PAL门（ProgrammableArrayLogic）通用阵列逻辑GAL门（GenericArrayLogic）任何一个组合逻辑都可以表示为乘积项之和的形式，例如：

f=(A+B)CD=ACD+BCD20世纪80年代中期开始出现

EPLD：ErasableProgrammableLogicDevice(类似于PAL门的扩展结构)1985年，美国Xilinx公司推出第一个FPGA芯片

FieldProgrammableGateArray目前最主要的可编程逻辑器件有：FPGA：现场可编程门阵列

FieldProgrammableGateArrayCPLD：复杂的可编程逻辑器件

ComplexProgrammableLogicDevice组合逻辑实现方法PT-based:

基于乘积项

ProductTerm-basedBuildingBlockLUT-based:

基于查找表

Look-upTable-basedBuildingBlock基于乘积项基于查找表FPGA查找表单元内部结构现场可编程性所谓现场可编程性就是指用户任何时候都可以通过电路板上的下载电缆或硬件编程器来修改FPGA/CPLD的配置，以达到修改自己设计的目的。

FPGA/CPLD设计的一般流程软件中的功能合并

全定制IC基于单元的IC基于门阵列的IC高密度的PLD速度集成密度大批量的费用小批量的费用

投放市场时间

降低风险

未来的修改

开发工具教学目标

几种集成芯片的性能比较

：性能好：性能很好目前比较典型的器件有：Xilinx公司的FPGA/CPLD系列器件Altera公司的FPGA/CPLD系列器件TI公司的TPC系列Lattice公司的ispLSI系列

3.1.2PLD厂商及其产品3.1.2PLD厂商及其产品Xilinx公司创新概念起始于1984年，目标是要将LSI/VLSI门阵列技术的高逻辑密度和通用性与用户现场可编程部件的设计灵活、上市速度快及成品的有效性结合起来。1985年，Xilinx公司推出了世界上第一个FPGA器件。产品发展:XC3000,XC4000,XC5200,Virtex系列,Spartan系列等，目前主流产品

Spartan6系列、Artix7系列、Zynq-7000等Altera公司主要产品:MAX系列,FLEX系列,APEX系列,Stratix系列和Cyclone系列。MAX系列产品为CPLD结构，编程信息以EEPROM方式保存。FLEX系列、Cyclone系列产品为FPGA，通过内部存储器单元阵列存储编程信息。Altera公司主要软件开发工具：MAX+PLUSⅡQuartus（QuartusPrime）SOPCBuilderDSPBuilder3.1.3FPGA和CPLD之间的差别

FPGACPLDFPGA与CPLD的不同点逻辑单元的粒度不一样，设计灵活性不同；FPGA芯片的逻辑门密度比CPLD芯片高；内部连线结构不同；时序延迟的特性不同；CPLD更适合于完成各类算法和组合逻辑，而FPGA更适合于完成时序较多的逻辑电路。

3.1.4FPGA/CPLD的优点FPGA/CPLD芯片的集成度越来越大；研制开发费用相对较低；可以反复编程、擦除和使用；设计周期短；3.2XilinxFPGA

结构简介以Xilinx公司的XC3000系列产品为例XC3000FPGA结构图XC3000的结构主要包括四个部分:

可编程逻辑块CLB（ConfigurableLogicBlock）可编程输入输出模块IOB（Input/OutputBlock）可编程内部连线PI（ProgrammableInterconnect）可配置存储器（SRAM阵列）

两个创新概念：

一、具有逻辑单元阵列结构LCA（LogicCellArray），因此具有门阵列及可编程的双重特性；二、逻辑功能的实现是通过对可配置存储器的配置来完成的。可编程逻辑块CLB

CLB组合逻辑的三种结合方式

可编程输入输出模块IOB

可编程内部连线PI

3.3Altera

产品结构简介以Altera公司的FLEX10K系列产品为例FLEX10K结构图FLEX10K系列器件主要由四部分组成

嵌入式阵列：由嵌入式阵列块（EAB:EmbeddedArrayBlock）构成

逻辑阵列：由一系列的逻辑阵列块（LAB）构成的

快速通道（FastTrack