EDA技术第二章FPGACPLD结构与应用.ppt

1、EDA技术,主讲：牛军浩,第二章 FPGA/CPLD结构与应用,2.1 PLD的分类 2.2 简单PLD原理 2.3 CPLD结构与工作原理 2.4 FPGA结构与工作原理 2.5 硬件测试 2.6 PLD产品 2.7 编程与配置,教学目的,掌握CPLD/FPGA的结构及工作原理 掌握CPLD/FPGA的配置和编程方法,基本PLD器件的原理结构,输入 缓冲 电路,与 阵 列,或 阵 列,输出 缓冲 电路,数字电路系统都是由与门、非门、或门、传输门等基本门来构成,2.1 PLD的分类,由基本门可以构成两类数字电路：,组合电路： 在逻辑上输出总是当前输入状态的函数。,时序电路： 输出是当前系统状态

2、与当前输入状态的函数。,2.1 PLD的分类,按集成度分：,2.1 PLD的分类,2.1 PLD的分类,按结构分：,乘积项结构 基本结构为“与-或”阵列的器件 PLDCPLD 查找表结构 由查找表组成可编程门，再构成阵列 FPGA,2.1 PLD的分类,按编程工艺分：,熔丝（Fuse）型器件 反熔丝（Anti-Fuse）型器件 EPROM型器件 EEPROM型器件 SRAM型器件 Flash型器件,2.2 PLD原理,1. 电路符号表示：,非门,与门,或门,异或门,2.2 PLD原理,2. 电路结构表示：,2.2 PLD原理,3. PROM,地址译码部分,PROM存储单元阵列,输出缓冲部分,与

3、阵列固定,或阵列可编程,包含所有输入的最小项 利用率低,2.2 PLD原理,4. PLA,与阵列可编程,或阵列可编程,不需要包含输入变量的每个最小项,需要化简成最简的与或表达式,算法复杂，速度下降,2.2 PLD原理,5. PAL,与阵列可编程,或阵列固定,简化了设计算法,提高了运行速度,熔丝工艺生产，一次编程，修改不方便,2.2 PLD原理,6. GAL （General Array Logic）,EEPROM工艺 或阵列固定 与阵列可编程 OLMC（Output Logic Macro Cell） 专用组合输出、专用输入、组合输出双向口，寄存器输出、寄存器I/O等 结构图参看P35，图3-

4、18,2.3 CPLD工作原理与结构,1. PLD器件的缺点 阵列规模小，资源少 片内寄存器资源不足，难构成时序电路 I/O不灵活 编程不方便,2. CPLD器件的结构 CPLD（Complex PLD） 逻辑阵列块 宏单元 扩展乘积项 可编程连线阵列 I/O控制块,2.3 CPLD工作原理与结构,MAX7128S的结构,MAX7000系列的单个宏单元结构,可编程寄存器,共享扩展乘积项结构,并联扩展乘积项结构,PIA信号布线到LAB的方式,IO控制块结构,2.4 FPGA工作原理与结构,1. FPGA的特点 可编程查找表 LUT（Look Up Table） 基于SRAM的查找表逻辑结构 存储

5、输入值构成的真值表,2. LUT单元,FPGA查找表单元内部结构,FPGA由大量LAB组成,LE由一个4输入的查找表LUT、进位链逻辑和一个可编程的寄存器构成,2.5 硬件测试技术,集成电路的发展，促使CPLD、FPGA的规模越来越大，复杂程度也越来越高，测试问题随之而来。 内部逻辑测试：扫描寄存器、嵌入式逻辑分析仪 JTAG边界扫描：BST（Board Scan Test）,2.6 产品概述,CPLD分解组合逻辑的功能很强 FPGA的一个LUT只能处理4输入的组合逻辑 CPLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑 设计复杂的时序逻辑，使用FPGA较好 CPLD一般只能做到512个逻辑单元 FPGA

6、芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多，往往都是几千上万 CPLD拥有上电即可工作的特性 大部分FPGA需要一个加载过程,1. Altera,最大的可编程逻辑器件供应商之一 CPLD：MAX系列 FPGA：Stratix系列、FLEX系列、ACEX系列、Cyclone系列等 IP核 ,2. Xilinx,FPGA的发明者 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 CPLD：XC9500系列 FPGA：Virtext系列、Spartan系列 http:/www.xilinx-,3. Lattice,世界第三大可编程逻辑器件供应商 ISP （ In-System Programming ）技术 99年Lattice收购Vantis（原AMD子公司） 2001年收购Lucent微电子的FPGA部门， Lattice中小规模PLD/FPGA比较有特色 ispMACH4000系列PLD LatticeEC/ECP系列FPGA 可编程模拟芯片ispPAC ,2.7 编程与配置,常见的大规模PLD的编程工艺有三种： 基于电可擦除存储单元的EEPROM或FLASH技术 基于SRAM查找表的编程单元 基于反熔丝单元,1. CPLD的ISP编程,2. FPGA的配置,3. 专用器件配置FPGA,4. 单