EDA技术与实践(第2章)

EDA技术与实践(第2章)第一页，共48页。2.1概述

基本PLD器件的原理结构图与阵列或阵列输入缓冲电路输出缓冲电路输入输出第二页，共48页。2.1.1PLD的发展历程1、20世纪70年代，熔丝编程的PROM和PLA最早出现。2、20世纪70年代末，AMD公司推出PAL器件。3、20世纪80年代初，Lattice公司发明电可擦写的、比PAL使用更灵活的GAL器件。4、20世纪80年代中期，Xilinx公司生产出世界上第一片FPGA器件。第三页，共48页。2.1.1PLD的发展历程（续）5、20世纪80年代末，Lattice公司推出一系列具备在系统编程（InSystemProgrammable）能力的CPLD器件。6、进入20世纪90年代后，器件的可用逻辑门数超过了百万，并出现了内嵌复杂功能模块的SOPC。什么是在系统编程？什么是SOPC？第四页，共48页。2.1.2PLD的分类按集成度分类：可编程逻辑器件（PLD）简单PLD复杂PLDPROMPLAPALGALCPLDFPGA第五页，共48页。2.1.2PLD的分类简单PLD的分类分类与阵列或阵列输出电路PROM固定可编程固定PLA可编程可编程固定PAL可编程固定固定GAL可编程固定可组态第六页，共48页。2.2低密度PLD可编程原理2.2.1电路符号表示常用逻辑门符号与现有国标符号对照第七页，共48页。2.2.1电路符号表示PLD中与或阵列的简化画法第八页，共48页。2.2.2PROM（可编程只读存储器）PROM的逻辑阵列结构第九页，共48页。2.2.2PROM（可编程只读存储器）4×2PROM的逻辑阵列图第十页，共48页。2.2.2PROM（可编程只读存储器）用PROM完成半加器的设计第十一页，共48页。2.2.2PROM（可编程只读存储器）用PROM完成半加器的设计absumcout00011011absumcout0000011011absumcout000001101011absumcout00000110101011sum=a⊕bcout=ababsumcout0000011010101101第十二页，共48页。2.2.2PROM（可编程只读存储器）用PROM完成半加器逻辑关系：第十三页，共48页。2.2.2PROM（可编程只读存储器）PROM的缺点：芯片面积大；器件利用率低；工作速度低；通常只作为存储器出现；第十四页，共48页。2.2.3PLA（可编程逻辑阵列

）第十五页，共48页。2.2.3PLA（可编程逻辑阵列

）PLA的缺点：所需软件算法复杂，工作速度也不高，应用不广泛；第十六页，共48页。2.2.4PAL（可编程阵列逻辑

）PAL的基本结构每个输出端只有两个乘积项第十七页，共48页。第十八页，共48页。第十九页，共48页。2.2.4PAL（可编程阵列逻辑

）PAL的缺点：由于输出不可组态，造成种类太多，生产和使用不便；采用熔丝工艺，只能一次编程；第二十页，共48页。2.2.5GAL（通用阵列逻辑

）1985年，Lattice在PAL的基础上，设计出了GAL器件。首次在PLD上采用EEPROM工艺，具有电可擦除、可重复编程的特点。输出端可组态，使用灵活。与多种PAL器件兼容。第二十一页，共48页。2.2.5GAL（通用阵列逻辑

）PAL和GAL的共同缺点：各宏单元中触发器的时钟信号共用，且只能外部输入，不便实现异步逻辑；各宏单元的控制端也是共用的，使用不灵活；每个宏单元只有一条向与阵列反馈的通道，造成触发器利用率低；第二十二页，共48页。课堂讨论ISP：在系统编程In-SystemProgrammingSOPC：可编程的片上系统SystemOnProgramableChip第二十三页，共48页。讨论1、在系统编程ISP（In-SystemProgramming）含义：指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。ISP的工作原理

ISP的实现相对要简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。ISP的优点

ISP技术的优势是不需要编程器就可以进行单片机的实验和开发，单片机芯片可以直接焊接到电路板上，调试结束即成成品，免去了调试时由于频繁地插入取出芯片对芯片和电路板带来的不便。第二十四页，共48页。编程器仿真器第二十五页，共48页。讨论SystemOnProgrammableChip，即可编程的片上系统。2、SOPCSOPC技术是将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速系统、DSP系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一FPGA中嵌入实现。大量采用IP复用、软硬件协同设计、自顶向下和自底向上混合设计的方法，边设计、边调试、边验证……原本需要写上几千行的VHDL代码的功能模块，通过嵌入IP核后，只需几十行C代码即可实现。因此，可以使得整个设计在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。第二十六页，共48页。2.3CPLD的结构和工作原理CPLD即ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件，早期的CPLD是从GAL的结构扩展而来，并针对GAL的缺点进行了改进。下面以Altera公司的MAX7000系列器件为例进行介绍。第二十七页，共48页。2.3.1MAX7000系列器件特性第二十八页，共48页。2.3.1MAX7000系列器件特性第二十九页，共48页。2.3.2MAX7000系列器件结构1、宏单元第三十页，共48页。2.3.2MAX7000系列器件结构2、扩展乘积项第三十一页，共48页。第三十二页，共48页。2.3.2MAX7000系列器件结构2、扩展乘积项第三十三页，共48页。第三十四页，共48页。2.3.2MAX7000系列器件结构3、逻辑阵列块第三十五页，共48页。第三十六页，共48页。2.3.2MAX7000系列器件结构4、可编程连线阵列第三十七页，共48页。2.3.2MAX7000系列器件结构5、I/O控制块第三十八页，共48页。2.4FPGA的结构和工作原理FPGA（Field

ProgrammableGateArray）即现场可编程门阵列，大多采用SRAM查找表结构。FPGA是一类高集成度的可编程逻辑器件，起源于美国的Xillnx公司，该公司于1985年推出了世界上第一块FPGA芯片。在这二十年的发展过程中，FPGA的硬件体系结构和软件开发工具都在不断的完善，日趋成熟。从最初的1200个可用门，90年代时几十万个可用门，发展到目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片。第三十九页，共48页。2.4FPGA的结构和工作原理目前，市场上有三种基本的FPGA编程技术：SRAM、反熔丝、Flash。其中，SRAM是迄今为止应用范围最广的架构，主要因为它速度快且具有可重编程能力，而反熔丝FPGA只具有一次可编程（OneTimeProgrammable，OTP）能力。基于Flash的FPGA是FPGA领域比较新的技术，也能提供可重编程功能。目前生产FPGA的公司主要有Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic等，生产的FPGA品种和型号繁多。

第四十页，共48页。2.4FPGA的结构和工作原理典型的FPGA通常包含三类基本资源：可编程逻辑功能块、可编程输入/输出块和可编程互连资源。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构，分布于整个芯片；

可编程输入/输出块完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口，围绕在逻辑单元阵列四周；

可编程内部互连资源包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来，构成特定功能的电路。第四十一页，共48页。2.4FPGA的结构和工作原理除了上述构成FPGA基本结构的三种资源以外，随着工艺的进步和应用系统需求的发展，一般在FPGA中还可能包含以下可选资源：存储器资源（块RAM、分布式RAM）；数字时钟管理单元（分频/倍频、数字延迟、时钟锁定）；算数运算单元（高速硬件乘法器、乘加器）；多电平标准兼容的I/O接口；高速串行I/O接口；特殊功能模块（以太网MAC等硬IP核）；微处理器（PowerPC405等硬处理器IP核）

第四十二页，共48页。2.4.1查找表逻辑结构查找表即LookUpTable，简称LUT，本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。其逻辑结构如下图所示：0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111第四十三页，共48页。2.4.2Cyclone系列器件的结构和原理LE结构图LUT时钟信号寄存器第四十四页，共48页。2.4.2Cyclone系列器件的结构和原理LAB结构第四十五页，共48页。2.4.2Cyclone系列器件的结构和原理LAB阵列第四十六页，共48页。选择CPLD还是FPGA？根据结构和原理可以知道，CPLD分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至20－30多个组合逻辑输入。而FPGA的一个