02 第二章_可编程逻辑器件.pptx

第1页：可编程逻辑器件章节封面

《EDA技术及数字系统的应用》第二章封面，主题为可编程逻辑器件。

第2页：可编程逻辑器件学习目标

• 了解可编程逻辑器件的分类；
• 掌握可编程逻辑器件的结构和工作原理；
• 了解各种编程元件的工艺原理和特点；
• 了解常用CPLD和FPGA芯片及区别；
• 了解可编程逻辑器件配置方法。目前，可编程逻辑器件广泛应用于计算机、数字电路设计、通信系统、工业控制、仪器仪表和集成电路设计等领域，它的出现大大改变了传统的系统设计方法，使传统的"固定+功能模块+连线"的设计方法正逐步退出历史舞台。

可编程逻辑器件到底具有怎样的架构和结构？使器件具有可编程特性，可编程逻辑器件又分为哪些类型？各自有什么特点？如何使用？这些问题在本章都可以找到答案。学习目标和要求

第3页：可编程逻辑器件结构与原理目录

可编程逻辑器件结构与原理一.可编程逻辑器件概述二.Altera公司的可编程逻辑器件三.EDA软件开发工具四.硬件描述语言VHDL五.数字电路的设计实例SO MUCH ICFPGA CPLD

第4页：可编程逻辑器件的发展与分类

一.可编程逻辑器件概述 ； 可编程逻辑器件发展过程可编程逻辑器件高密度可编程逻辑器件低密度可编程逻辑器件PLAPROMEPLDCPLDFPGAPALGAL

第5页：构成可编程逻辑的两种方法

、基于乘积项的结构模块（CPLD）2、基于查找表的结构模块（FPGA）构成可编程逻辑的两种主要方法：

第6页：基于乘积项的结构模块

； 结构原理与特点：Ⅰ.可编程"与"阵列,固定的"或"阵列Ⅱ.用于逻辑综合及取"反"的"异或"门Ⅲ.容量受乘积项数量的限制Ⅳ.输入引线多1.基于乘积项的结构模块PAL器件的阵列结构

第7页：逻辑宏单元OLMC

； 逻辑宏单元(OLMC)PLD器件中的"与-或"阵列只能实现组合逻辑电路的功能，要实现时序逻辑功能则需要有包含触发器或寄存器的逻辑宏单元（OLMC）来实现，输出多路开关反馈多路开关三态多路开关乘积项多路开关来自与阵到来自相邻OLMC(M)输出使能控制OE时钟CP反馈到与阵列I/O(n)

第8页：复杂可编程逻辑器件CPLD

； 复杂可编程逻辑器件CPLD它是基于乘积项（Product-Term）技术，EPROM（或Flash）工艺的PLD，其主体仍是与——或阵列，因而称之为阵列型HDPLD。早期的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。通用阵列逻辑GAL是在PAL的基础上发展起来的。CPLD可以看作类似于PAL结构的扩展型。

第9页：基于查找表的结构模块

、基于查找表的结构模块查找表（Look-Up-Table)简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。以查找表作为逻辑单元，SRAM进行编程。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。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM，这样每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。由于SRAM技术的发展，FPGA的门数已接近千万门。

第10页：查找表原理示意图

0000010100000101输入A输入B输入C输入D查找表输出16x1RAM查找表原理多路选择器

第11页：如何选用CPLD与FPGA

如何选用CPLD/FPGA?

• 适于实现复杂的组合逻辑
• 适于实现复杂的状态机
• 适于实现控制量多的逻辑
• 适于实现完全编码的状态机
• 扇入系数大
• 应用举例：–存储总线控制器–译码逻辑
• 适于实现数据通路功能
• 适于实现寄存器用量大的设计
• 适于实现算术功能：–加法器、计数器等
• 适于实现"One Hot"方式编码的状态机
• 应用举例：–DSP功能–PCI接口乘积项结构/CPLD查找表结构/FPGA

第12页：可编程逻辑器件的编程元件

.可编程逻辑器件的编程元件(2)反熔丝型开关；(1)熔丝型开关；(4)基于SRAM的编程元件。(3)浮栅编程元件：EPROM、E2PROM和Flash；

第13页：FPGA与CPLD生产商

4、FPGA/CPLD生产商FPGA：FLEX系列：10K、10A、10KE，EPF10K30EAPEX系列：20K、20KE EP20K200EACEX系列：1K系列EP1K30、EP1K100STRATIX系列：EP1系列EP1S30、EP1S120CPLD：MAX7000/S/A/B系列：EPM7128SMAX9000/A系列FPGA：XC3000系列，XC4000系列，XC5000系列Virtex系列SPARTAN系列：XCS10、XCS20、XCS30CPLD：XC9500系列：XC95108、XC95256

第14页：Lattice器件与市场份额

ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8KispLSI1016、ispLSI2032、ispLSI1032E、ispLSI3256AMACH系列ispPAC系列：(可编程模拟器件)CPLD目前世界上有十几家生产CPLD/FPGA的公司，最大的三家是：ALTERA，XILINX，Lattice,其中全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。Lattice是ISP技术的发明者, ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比略逊一筹。99年收购Vantis（原AMD子公司）,成为第三大可编程逻辑器件供应商。

第15页：其他PLD公司

其他PLD公司：Actel：反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者，由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。Lucent：用于通讯领域的专用IP核。2000年Lucent的半导体部独立出来并更名为agere。2001年12月agere公司的FPGA部门被lattice收购。

第16页：Altera公司可编程逻辑器件

二. Altera公司的可编程逻辑器件

• MAX7000S/AE，MAX3000A：5v/3.3vEEPOM工艺PLD，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EEPOM工艺PLD,从32个到512个宏单元,结构与MAX7000基本一样。
• FLEX10KE/ACEX1K：FLEX10KE是98推出的2.5vSRAM工艺PLD(FPGA),从3万门到25万门，带嵌入式存储块(EAB)，较早期的5v的10K和3.3v的10KA已基本不推广。

ACEX1K是2000年推出的2.5v低价格SRAM工艺FPGA,结构与10KE类似,带嵌入式存储块(EAB)，主要有1K10, 1K30, 1K50,1K100。

第17页：APEX20K与Stratix器件

• APEX20K/20KE：99年推出的大规模2.5v/1.8vSRAM工艺CPLD(FPGA）,带PLL,CAM,EAB,LVDS,从3万门到150万门。
• Stratix：最新一代SRAM工艺大规模FPGA,集成硬件乘加器（DSP块），芯片内部结构比Altera以前的产品有很大变化。有EP1S10、20、30~120。
• Excalibur：片内集成CPU（ARM922T）的PLD/FPGA产品。
• 配置EEPROM：用于配置SRAM工艺FPGA的EEPROM。主要有EPC1441，EPC1、2、8、16。

第18页：MAX 7000S系列的特点

• MAX 7000S支持系统级集成–用于产品制造的系统内可编程特性（ISP）–用于产品测试的边缘扫描测试标准（JTAG）–相同器件系列的引脚纵向兼容–引脚和结构与最初的MAX 7000系列兼容
• 所有MAX 7000S器件的增强功能–6个输出使能–2个全局时钟–可选的集电极开路输出–转换速度控制1.ALTERAMAX7000S系列的特点

第19页：MAX7000S系列内部互连结构

MAX7000S系列的内部互连结构Logic Array Block可编程连线阵列

第20页：MAX7000S的宏单元结构

PRN全局清零共享逻辑扩展项清零时钟清零选择寄存器旁路并行扩展项通往I/O模块通往PIA乘积项选择矩阵来自I/O引脚全局时钟来自PIA的36个信号快速输入选择2MA38X7000S系列的宏单元结构逻辑阵列QDEN

第21页：FLEX 10K系列的特点

• 高密度、SRAM工艺制造，1万～2.5万典型门。
• 功能更强的I/O引脚，每个引脚都是独立的三态门结构，具有可编程的速率控制。
• 嵌入式阵列块（EAB），每个EAB提供2KBit位。
• 逻辑单元(LE）采用查找表（LUT）结构。
• 采用快速通道（FastTrack）互连布线结构
• 实现快速加法器和计数器的专用进位链。
• 实现高速、多输入逻辑函数的专用级连链。2.FLEX10K系列的特点

第22页：FLEX 10K系列FPGA结构图

FLEX 10K系列FPGA结构图...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCEABEAB嵌入式阵列块逻辑单元(LE)快速通道互连逻辑阵列块(LAB)

第23页：FLEX系列的逻辑单元LE

； FLEX系列的逻辑单元LE输出进位链级联链查找表(LUT)清零和预置逻辑时钟选择进位输入级联输入进位输出级联输出数据1数据2数据3数据4CLRNDQLab控制2Lab控制4Lab控制1Lab控制3

第24页：FLEX系列的进位链

快速加法器,比较器和计数器 ； FLEX系列的进位链DFF进位输入(来自上一个逻辑单元)S1LE1进位链DFFS2LE2A1B1A2B2进位输出(到LAB中的下一个逻辑单元)进位链查找表LUT查找表LUT

第25页：FLEX系列的级联链

； FLEX系列的级联链性能优越,适合扇入大的逻辑功能"与"级联链"或"级联链LUTLUTIN[3..0]IN[4..7]LUTIN [(4n-1)..4(n-1)]LUTLUTIN [3..0]IN [4..7]LUTIN [(4n-1)..4(n-1)]LE1LE2LEnLE1LE2LEn0.6 ns2.4 ns16位地址译码速度可达2.4 + 0.6x3=4.2 ns

第26页：快速通道互连

一系列行和列的连续式布线通道 ； 快速通道互联行快速通道4.2ns列快速通道2.5ns逻辑阵列块LAB局部快速通道0.5ns逻辑单元LE

第27页：FLEX 10K系列的EAB

• FLEX 10K系列的EAB
• 嵌入式阵列块EAB（Embbeded Arry Block）P65?
• 一个EAB的容量为2048 bit的RAM
• 可以配置为存储器或者逻辑函数
• 实现强功能（Megafunction〕
• 实现存储器或者特殊的逻辑函数比单个的逻辑单元(LE)更有效LE嵌入式阵列逻辑阵列LELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELELEEABEABEABEABEAB

第28页：10K系列器件的EAB配置

不同10K系列器件中的EAB配置：下表列出各器件的EAB数量与片内RAM容量。

说明：原文各字段粘连无分隔，表中数值按「器件型号＋EAB数量＋RAM容量」顺序切分还原，EAB容量按每块2048 bit换算核对一致。

第29页：EAB的字长配置

• 通过组合EAB可以构成更大的模块。不需要额外的逻辑单元，不引入延迟，EAB可配置为2048的存储器。256x8512x41024x22048x1256x8256x8512x4512x4256x16512x8EAB的字长是可配置的
• EAB的大小灵活可变

第30页：EAB实现RAM与ROM

输出时钟DRAM/ROM256x8512x41024x22048x1DDD写脉冲电路输出宽度8,4,2,1数据宽度8,4,2,1地址宽度8,9,10,11写使能输入时钟FLEX 10K系列的EAB

第31页：EAB的应用

• 存储器功能–用作同步或者异步RAM–单端口或者双端口FIFO–RAM可用来实现动态硬件重配置EAB的应用
• 逻辑功能–配置时，EAB是可以预装的实现一个大的查找表，尤其适用于快速乘法器，状态机和算术逻辑单元等

第32页：FLEX10KE系列的特点

.FLEX10KE系列的特点FIEX 10KE器件是采用0.25

• m的五层金属工艺制造，其核心工作电压为2.5V，它是FLEX 10K的改进型。增加的新特性：
• 双倍RAM的嵌入式阵列块；
• 150MHz FIFO性能的双口RAM；
• 引脚可选择、有I/O箝位二极管；
• 低功耗、1.0mm的BGA封装；
• 多电压I/O操作，支持2.5V、3.3V和5V混合电压系统。

第33页：FLEX 10KE器件规模与封装

典型门数量逻辑单元数量RAM规模封装形式供货情况30,0001,72824,576144-Pin TQFP208-Pin PQFP256-Pin BGA484-Pin BGA1999年上半年50,0002,88040,960144-Pin TQFP208-Pin PQFP240-Pin PQFP256-Pin BGA484-Pin BGA已经供货100,0004,9924,99249,15224,576208-Pin PQFP240-Pin PQFP256-Pin BGA356-Pin BGA*484-Pin BGA*1999年上半年或1998年7月130,0006,65665,536240-Pin PQFP484-Pin BGA672-Pin BGA1999年上半年250,00012,16081,920672-Pin BGA1999年上半年200,0009,98498,304600-Pin BGA672-Pin BGA1999年上半年特点EPF10K30EEPF10K50EEPF10K100EEPF10K100BEPF10K130EEPF10K250EEPF10K200EFLEX 10KE系列

第34页：嵌入式结构的发展

• 双端口RAM
• 字长16位的4KbitEAB
• 符合PCI标准的I/O引脚嵌入式结构的发展
• 1.0mm FineLine BGA™封装
• 电路板面积节省一半
• 成本最低下一代封装
• 2.5V内核电压和多电压标准MultiVolt™的I/O引脚
• 基于SRAM的0.25µ CMOS工艺
• 五层金属，兼容5.0V输入先进的工艺技术
• 为PCI标准而设计
• 100MHz的系统速度
• 实现150MHz的FIFO性能突破：FLEX 10KE－高性能的解决方案

第35页：FLEX10K系列逻辑规模

FLEX 10K系列逻辑规模：下表列出各器件的典型可用门数量与存储器容量。

说明：原文型号列写作 EPF10K5/V，按器件序列还原为 EPF10K50/V；表格数值依原文顺序切分，建议对照原课件图片核对。

第36页：FLEX高速性能发展

FLEX 10K-5FLEX 10K-4FLEX 10K-3FLEX 10K-2FLEX 10KA-1性能更高的系统FLEX 10KE-1FLEX高速性能发展

第37页：工艺改进与供电电压降低

电压5.0 V3.3 V2.5 V1.8 V崩溃电压供电电压工艺改进促使供电电压降低

第38页：FPGA多电压兼容系统

FPGA多电压兼容系统内核电压3.3V、2.5V或1.8V接受2.5V、3.3V或者5.0V输入输出电位标准VccioVCCINT：供内部电路工作和供输入缓冲器的电源；VCCIO：I/O输出驱动器的电源。

第39页：CPLD与FPGA芯片的形状

本页为CPLD/FPGA芯片形状的图片说明页，展示不同封装形式下芯片的外形，源文件仅提取到标题文字。