第二章大规模可编程逻辑电路电子科技大学

第二章大规模可编程逻辑电路电子科技大学第一页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述DOWNTOP物理实现：工艺相关抽象：符合思考习惯2第二页，共75页。可编程逻辑器件：PLD--ProgrammableLogicDevices：用户构造逻辑功能。

传统数字系统

由固定功能标准集成电路74/54系列、4000、4500系列构成。设计灵活性小,芯片种类多，数目大。

现代数字系统

仅由三种标准积木块构成：微处理器、存贮器和PLD。即CPU+RAM+PLD模式。PLD的是其中的桥梁。§2.1可编程逻辑器件概述3第三页，共75页。Example：Low-powerIntelIn-VehicleInfotainmentSystemInformationEntertainmentSystem:Internet,Music,Navigation,Game,DVD,Email,……§2.1可编程逻辑器件概述4第四页，共75页。5第五页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代至今PROM和PLA器件FPLA器件GAL器件FPGA器件EPLD器件CPLD器件内嵌复杂功能模块的SOCPLA器件6第六页，共75页。80年代初：Lattice公司推出GAL_GenericArrayLogic(第二代）；70年代初：PROM、

PLA_ProgrammableLogicArray

（第一代）；70年代末：AMD公司推出PAL_ProgrammableArrayLogic§2.1可编程逻辑器件概述一、PLD的发展进程7第七页，共75页。90年代初：Lattice公司提出ISP_InSystemProgramming概念，推出ispLSI。80年代中：Xilinx公司推出FPGA_FieldProgrammableGatesArray；

Altera公司推出EPLD_ErasableProgrammableLogicDevice；近年PLD的发展：密度：单片达2000万系统门以上速度：达600MHz以上线宽：已达22nm，属甚深亚微米技术（VDSM—VeryDeepSubMicrometer）§2.1可编程逻辑器件概述8第八页，共75页。

高集成度；高速度；高可靠；在系统编程（ISP_InSystemProgramming）

PLD已占整个IC产值的40%以上。PLD的产量、集成度每年增加35%，成本降低40%。二、PLD产品的特点：§2.1可编程逻辑器件概述9第九页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述10第十页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述11第十一页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述12第十二页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述13第十三页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述14第十四页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述Altera公司的SOPC:Stratix/II/III/IV/V系列15第十五页，共75页。

Xilinx产品系列主要性能

§2.1可编程逻辑器件概述16第十六页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述17第十七页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述18第十八页，共75页。Xilinx公司的FPGA(SOC):Virtex-IV内部时钟≤550MHz等价逻辑单元≤330000DSP运行速率

≤

500MHz

Xilinx公司的FPGA(SOC):Virtex-IV片内RAM≤10Mb§2.1可编程逻辑器件概述19第十九页，共75页。

Lattice产品系列主要性能§2.1可编程逻辑器件概述20第二十页，共75页。PLD的最新进展：2007.3Altera发布65nm的高性能、低成本的FPGA：CycloneIII。2008.3Altera发布40nm的高性能、大容量的FPGA：StratixIV。2009.2Xilinx发布40nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-6，及45nm的高性能、低成本的FPGA：Spartan-6。2010.4Altera发布28nm的高性能、大容量的FPGA：StratixV。2010.6Xilinx发布28nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-7。§2.1可编程逻辑器件概述21第二十一页，共75页。2010年2月23日可编程行业龙头Xilinx28纳米技术及架构发布为了达到绿色技术要求，大量产品在不惜一切努力降低功耗，在此关键时刻，FPGA产业转向采用28纳米工艺技术。FPGA只有满足低功耗和高性能的要求，才能成为片上系统(SOC)开发的理想选择。§2.1可编程逻辑器件概述PLD的最新进展：2010.4Altera发布28nm的高性能、大容量的FPGA：StratixV。2010.6Xilinx发布28nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-7。22第二十二页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述主流PLD厂商市场份额：

23第二十三页，共75页。1、从互连延时入手解决系统速度问题门延时：几百ns→不足2ns

互连延时：相对门延时越来越大三、近年PLD的发展热点§2.1可编程逻辑器件概述24第二十四页，共75页。1）ISP（In_SystemProgrammability/Programming）：

是指对器件、电路板、整个电子系统进行逻辑重构和修改功能的能力。这种重构可以在制造之前、制造过程中、甚至在交付用户使用之后进行。

传统PLD：先编程后装配；

ISPPLD：可先编程后装配，也可先装配后编程。2、在系统可编程技术（ISP）§2.1可编程逻辑器件概述25第二十五页，共75页。§2.1可编程逻辑器件概述在系统可编程技术（ISP）26第二十六页，共75页。非ISP工艺流程从仓库提取器件进半成品库对器件编程贴标签提取特定器件焊接电路板电路板测试编程及电路板测试焊接电路板从仓库提取器件2）ISP技术简化生产流程比较：ISP技术对缩短生产周期，加快产品上市极为重要。ISP工艺流程§2.1可编程逻辑器件概述27第二十七页，共75页。设计设计修改方便，产品面市速度快，减少原材料成本，提高器件及板级的可测试性。制造减少制造成本，免去单独编程工序，免去重做印刷电路板的工作，大量减少库存，减少预处理成本，提高系统质量及可靠性。现场服务/支持提供现场系统重构或现场系统用户化的可能，提供遥控现场升级及维护的可能3）ISP技术的优越性§2.1可编程逻辑器件概述28第二十八页，共75页。

现配置时间为几十-几百ms

实时重配问题配置时间的极大缩短：硬件→软硬件→资源4）ISP的进一步发展：§2.1可编程逻辑器件概述29第二十九页，共75页。（I）输入或输出和（II）与门：输入变量反馈缓冲器都采称为输入项，输用互补输出结构出函数称为乘积 项(ProductTerm)D=ABCPLD中常用的符号§2.2PLD的种类及分类方法30第三十页，共75页。（III）或门：输出函数称为和项（SumTerm）G=A+B+C（IV）连接符号固定连接编程连接不连接PLD中常用的符号§2.2PLD的种类及分类方法固定连接编程连接31第三十一页，共75页。（V）编程控制的多路开关表示方法图中（a）和（b）是等效的，只是（b）省略了控制线，它们表示由用户编程确定输出是A还是B。图（c）表示编程控制的三选一多路器。PLD中常用的符号§2.2PLD的种类及分类方法32第三十二页，共75页。Example:可编程连接点§2.2PLD的种类及分类方法33第三十三页，共75页。PLA与PROM的比较与阵列可编程或阵列可编程或阵列可编程与阵列固定一、“与或阵列”§2.2PLD的种类及分类方法34第三十四页，共75页。PLD的生产厂家众多，产品名称各异，分类方法多样。常见的PLD产品：PROM、EPROM、EEPROM、

PLA、FPLA、PAL、GAL、CPLD、EPLD、

EEPLD、HDPLD、FPGA、pLSI、ispLSI、

ispGAL、ispGDS等。§2.2PLD的种类及分类方法35第三十五页，共75页。低密度PLD：高密度PLD（HDPLD）：超过500门PLD低密度的PLD，如PLA、PROM、PAL、GAL高密度的PLD（HDPLD）1、根据器件密度分为：§2.2PLD的种类及分类方法36第三十六页，共75页。FPGA（FieldProgrammableGatesArray）

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）

（一）FPGA：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。逻辑单元主体为由随机静态存储器（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。采用SRAM工艺。2、根据器件互连结构、逻辑单元结构分为：§2.2PLD的种类及分类方法37第三十七页，共75页。含查找表的逻辑单元：（FPGA）§2.2PLD的种类及分类方法38第三十八页，共75页。A0A1F0F10000101001101101用查找表完成半加器逻辑+++F0A0A10110+++F1A0A1100039第三十九页，共75页。四输入查找表40第四十页，共75页。

（二）CPLD：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。该结构来自于典型的PAL、GAL器件的结构。采用EEPROM工艺。任意一个组合逻辑都可以用“与—或”表达式来描述，所以该“与—或阵列”结构能实现大量的组合逻辑功能。§2.2PLD的种类及分类方法41第四十一页，共75页。简单的“与或”阵列：（PAL、GAL、CPLD）积项线§2.2PLD的种类及分类方法42第四十二页，共75页。CPLD的逻辑单元：§2.2PLD的种类及分类方法43第四十三页，共75页。用PROM完成半加器逻辑阵列A0A1F0F1000010100110110144第四十四页，共75页。（三）CPLD和FPGA的主要区别：1）结构上的不同2）集成度的不同

CPLD：500-50000门；

FPGA：1K–10M门3）应用范围的不同

CPLD逻辑能力强而寄存器少（1K左右），适用于控制密集型系统；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多（100多K），适于数据密集型系统。4）使用方法的不同§2.2PLD的种类及分类方法45第四十五页，共75页。FPGA和CPLD的区别定义FPGA现场可变成门阵列

CPLD复杂可编程逻辑器件

结构1、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。2、内部采用不同长度的分段式互连结构内部延迟时间不固定。1、逻辑单元主要由“与或阵列”构成，采用EEPROM工艺。2、内部采用长度固定的连续式互连结构，内部延迟时间固定。集成度1K–100M门500-50000门

应用范围FPGA逻辑能力较弱但寄存器多(100多K),适于数据密集型系统CPLD逻辑能力强而寄存器少(1K左右),适用于控制(逻辑)密集型系统使用方法

需要外带ROM46第四十六页，共75页。一次性编程：PROM、PAL重复可编程：紫外线擦除：数十次；

E2CMOS工艺：上千次；

SRAM结构：上万次3、PLD根据可编程特性分为：4、PLD根据编程元件分为熔丝型开关；可编程低阻电路元件；EPROM；EEPROM；SRAM；§2.2PLD的种类及分类方法47第四十七页，共75页。PLD（FPGA、CLPD）种类繁多，特点各异。共同之处包括三大部分：

a.逻辑阵列块

b.输入/输出块

c.互连资源§2.3Altera可编程逻辑器件概述一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD器件的逻辑核心连接逻辑块的互连资源，用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接48第四十八页，共75页。PLD结构图输入/输出块互连资源逻辑块(逻辑阵列）§2.3Altera可编程逻辑器件概述49第四十九页，共75页。CPLD与FPGA的主要区别在于逻辑块（逻辑单元）的构成不同：CPLD的基本逻辑单元如：EPM7128§2.3Altera可编程逻辑器件概述50第五十页，共75页。FPGA的基本逻辑单元如：EPF10K10§2.3Altera可编程逻辑器件概述51第五十一页，共75页。Altera公司PLD分为两大系列：

§2.3Altera可编程逻辑器件概述MAXMAXIIMAX9000MAX7000MAX5000ClassicFLEXAPEXIIAPEX20KFLEX10KFLEX8000FLEX6000CPLDCycloneI,II,III,IV,VStratixI,II,III,IV,VFPGA高端顶尖的性能顶尖的价格功耗大FPGA中低端成本低功耗低性能不低FPGA早期52第五十二页，共75页。★

MAX系列：多阵列矩阵（MultipleArrayMatrix）★内部结构：

可编程的“与”阵列和固定

“或”阵列实现逻辑功能；采用EPROM工艺(Classic、

MAX5000)，或EEPROM工艺（MAX7000、MAX9000）；

属CPLD。§2.3Altera可编程逻辑器件概述MAXMAXVMAXIIMAX9000MAX7000MAX5000Classic53第五十三页，共75页。

★FLEX系列：灵活逻辑单元阵列（FlexibleLogicElementMatrix）★内部结构：

使用查找表（LookUpTable__LUT）结构来实现逻辑功

能；采用SRAM工艺；属

FPGA。★

FLEX10K首次采用嵌入式阵列

（EAB_EmbeddedArrayBlock）

APEX20K融合查找表、乘积项、

嵌入式阵列和存贮器于一体。§2.3Altera可编程逻辑器件概述FLEXStratixVStratixIVCycloneIIIStratixIIICycloneIIStratixIICycloneStratixAPEXIIAPEX20KFLEX10KFLEX800054第五十四页，共75页。

Altera器件结构

§2.3Altera可编程逻辑器件概述55第五十五页，共75页。

Altera器件的用户I/0引脚和可用门

§2.3Altera可编程逻辑器件概述56第五十六页，共75页。

Altera器件系列系统可用门数的发展趋势§2.3Altera可编程逻辑器件概述57第五十七页，共75页。Cyclone系列简介CycloneCycloneIICycloneIIICycloneIVCycloneV推出时间20022004200720092011工艺技术130nm90nm65nm60nm28nm§2.4Cyclone系列器件概述58第五十八页，共75页。Cycloneⅳ系列器件资源§2.4Cyclone系列器件概述59第五十九页，共75页。结构描述

●逻辑阵列块(LAB)

●嵌入式阵列块(EAB)

●

FastTrack●

I/O单元§2.4Cyclone系列器件概述60第六十页，共75页。

每个LAB包含16个LE（一）逻辑阵列块（LAB_LogicArrayBlock）61第六十一页，共75页。4输入LUT可编程寄存器全局信号（二）逻辑单元

LE（LogicElement）是Cyclone系列芯片结构中的最小单元。进位链62第六十二页，共75页。（三）快速通道互连（FastTrack）FastTrack组成：行连线带、列连线带特点：快速、布线延迟可预测,

灵活性稍差。63第六十三页，共75页。其它FPGA连线：由不同长度的布线及开关矩阵组成分段式互连结构。优点：布线灵活弱点：布线延迟的不可预测性XilinxXC4000系列的布线资源64第六十四页，共75页。（四）嵌入式阵列块EAB（EmbeddedArrayBlock）

每个M9K块包含8192位（包含校验位为9216位）

每个块包含一个独立的读和写使能信号§2.4Cyclone系列器件概述EAB结构：是个高密度存储体，存储的宽度和深度可调。CycloneIVEP4CE115F29C7M9K块：数据线:36bit；地址线:13bit65第六十五页，共75页。Cycloneⅳ系列器件Multipliers

每个乘法器块支持18*18位乘法运算

4CE115有266个乘法器块CycloneIVEP4CE115F29C7器件66第六十六页，共75页。Multipliers内部结构18位乘法模式9位乘法模式CycloneIVEP4CE115F29C7器件67第六十七页，共75页。实际器件外观CycloneIVEP4CE115F29C7器件68第六十八页，共75页。CycloneIVEP4CE115F29C7器件69第六十九页，共75页。Cyclone