单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第2章 PLD硬件特性及应用,第2章 PLD硬件特性及应用,1,2.1 可编程逻辑器件概述,任何,组合逻辑,都可化成“,与-或,”表达式；,任何,时序电路,都可由,组合电路加上存储元件,组成；,由此人们提出了一种可编程逻辑电路结构，即乘积项可编程结构,基本PLD的原理图,2.1 可编程逻辑器件概述任何组合逻辑都可化成“与-或”表达,2,2.1 可编程逻辑器件概述,2.1.2 可编程逻辑器件分类,1 按集成度分,PLD按集成度分类,2.1 可编程逻辑器件概述2.1.2 可编程逻辑器件分类PL,3,2.1.2 可编程逻辑器件分类,2 按结构分,1）PLD 与或阵列结构,2）FPGA（Field Programmable Gate Array）门阵列,2.1.2 可编程逻辑器件分类2 按结构分,4,2.1.2 可编程逻辑器件分类,3 按工艺分,1）熔丝或反熔丝编程器件，PROM器件,2）UEPROM编程器件，紫外线擦除/电气编程器件,3）EEPROM编程器件，电擦写编程器件,4）SRAM器件,2.1.2 可编程逻辑器件分类3 按工艺分,5,2.2 简单PLD原理,2.2.1 电路符号表示,2.2 简单PLD原理2.2.1 电路符号表示,6,2.2.1 电路符号表示,图2-2PLD的互补缓冲器 图2-3 PLD的互补输入 图2-4 PLD中与阵列表示,图2-5 PLD中或阵列的表示 图2-6 阵列线连接表示,2.2.1 电路符号表示图2-2PLD的互补缓冲器 图2,7,2.2.2 PROM原理,2.2.2 PROM原理,8,2.2.2 PROM原理,2.2.2 PROM原理,9,2.2.3 PLA原理,PLA：与阵列可编程；或阵列可编程,2.2.3 PLA原理PLA：与阵列可编程；或阵列可编程,10,2.2.4 PAL原理,PAL：与阵列可编程；或阵列固定,2.2.4 PAL原理PAL：与阵列可编程；或阵列固定,11,2.2.5 GAL原理,逻辑宏单元,输入/输出口,输入口,时钟信,号输入,三态控制,可编程与阵列,固定或阵列,GAL16V8,2.2.5 GAL原理逻辑宏单元输入/输出口输入口时钟信三态,12,2.3 CPLD/FPGA工作原理,输入/输出口,逻辑块,连线资源,逻辑块由基本逻辑单元组成，构成了PLD器件的逻辑组成核心,连线资源连接内部所有单元，不同的逻辑块通过可编程的PIA布线来构成所需的逻辑功能,CPLD/FPGA的组成结构,2.3 CPLD/FPGA工作原理输入/输出口逻辑块连线资源,13,2.3.1 CPLD工作原理,CPLD,：Complex Programmable Logic Device,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。,以MAX3000A为例,每16个宏单元组成一个逻辑阵列块,2.3.1 CPLD工作原理CPLD：Complex Pro,14,2.3.1 CPLD工作原理,可编程与阵列,固定或阵列,可编程寄存器,2.3.1 CPLD工作原理可编程与阵列可编程寄存器,15,2.3.2 FPGA工作原理,FPGA：Field Programmable Gate Array,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。,2.3.2 FPGA工作原理FPGA：Field Progr,16,2.3.2 FPGA工作原理,LUT：LUT本质上就是一个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,2.3.2 FPGA工作原理LUT：LUT本质上就是一个RA,17,2.3.2 FPGA工作原理,FPGA查表单元,FPGA查找表单元内部结构,2.3.2 FPGA工作原理 FPGA查表单元 FPGA,18,2.3.2 FPGA工作原理,FPGA内基本LE,查表单元LUT,可编程D触发器,2.3.2 FPGA工作原理 FPGA内基本LE查表单元LU,19,2.3.3 FPGA/CPLD,FPGA:触发器资源丰富适用时序逻辑,CPLD:乘积项丰富而触发器少适用组合逻辑,CPLD:延时固定,CPLD:掉电后重新上电还能保持编程信息,FPGA:延时时间不可预测（容易产生竞争-冒险或误码等）,FPGA:掉电后重新上电不能保持编程信息，需使用配置芯片,2.3.3 FPGA/CPLDFPGA:触发器资源丰富适用,20,2.4 产品介绍,三家主流公司产品：,Altera、Xilinx：数千门 数百万门,Lattice：数万门以下,2.4 产品介绍三家主流公司产品：,21,2.4 产品介绍,Lattice公司的CPLD器件系列,1.ispLSI系列器件,2.MACHXO系列,3.MACH4000系列,4.LatticeSC FPGA系列,5.LatticeECP3 FPGA系列,2.4 产品介绍Lattice公司的CPLD器件系列1.i,22,2.4 产品介绍,Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列,1.Virtex-6系列FPGA,2.Spartan-6器件系列,3.XC9500/XC9500XL系列CPLD,4.Xilinx Spartan-3A系列器件,5.Xilinx的IP核,2.4 产品介绍Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列,23,2.4 产品介绍,Altera公司的FPGA和CPLD器件系列,1.Stratix 4/6 系列FPGA,2.Cyclone 4系列FPGA,3.Cyclone系列FPGA（低成本FPGA）,4.Cyclone II系列FPGA,5.Cyclone III系列FPGA,6.MAX系列CPLD,7.MAX II系列器件,8.Altera宏功能块及IP核,2.4 产品介绍Altera公司的FPGA和CPLD器件系列,24,2.4 产品介绍,Actel公司的FPGA器件,低功耗Flash型FPGA：IGLOO系列、ProASIC 3系列。,混合信号FPGA：Fusion系列,耐辐射器件：RTAX-S系列、RTSX-SU系列,反熔丝器件：,Axcelerator,、,SX-A,、eX、MX 系列,2.4 产品介绍Actel公司的FPGA器件,25,2.4 产品介绍,ALTERA FPGA 常用配置芯片,2.4 产品介绍ALTERA FPGA 常用配置芯片,26,2.5 编程与配置,大规模可编程逻辑器件的编程工艺有三种,（1）基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术。,（2）基于SRAM查找表的编程单元。,（3）基于反熔丝编程单元。,2.5 编程与配置大规模可编程逻辑器件的编程工艺有三种,27,2.5 编程与配置,主要配置方式有三种,1）JTAG方式,2）主动配置方式AS,3）被动配置方式PS,2.5 编程与配置主要配置方式有三种,28,2.5 编程与配置,1）JTAG配置方式,是由JTAG命令来配置CPLD/FPGA器件的方式。JTAG接口是IEEE 1149.1边界扫描测试的标准接口，主要用于芯片测试等功能,2.5 编程与配置1）JTAG配置方式,29,2.5 编程与配置,JTAG方式是由JTAG命令来配置CPLD/FPGA器件的方式。主要用于芯片测试等功能,2.5 编程与配置JTAG方式是由JTAG命令来配置CPLD,30,2.5 编程与配置,2.5 编程与配置,31,2.5 编程与配置,2）主动配置方式（AS）,由器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程,由FPGA控制配置过程,2.5 编程与配置2）主动配置方式（AS）,32,2.5 编程与配置,3）被动配置方式（PS）,由系统中的其它设备发起并控制配置过程。这些设备可以是Altera的配置芯片，或者是单板上的智能设备,FPGA器件在配置过程中完全是被动的，它仅输出一些状态信号来配合配置过程。,2.5 编程与配置3）被动配置方式（PS）,33,2.5 编程与配置,2.5 编程与配置,34,2.5 编程与配置,ALTERA 的 ByteBlaster（MV）下载接口,此接口既可作编,程下载口，也可作,JTAG接口,2.5 编程与配置ALTERA 的 ByteBlaster（,35,2.5 编程与配置,接口各引脚信号名称,2.5 编程与配置接口各引脚信号名称,36,主系统通用,10针标准,配置/下载接口,目标板10针标准,配置接口,PIN1,OTP配置器件,插座,主系统通用目标板10针标准PIN1OTP配置器件插座,37,2.5 编程与配置,配置芯片,当FPGA器件正常工作时，其配置数据存储在SRAM中，而SRAM有易失性，故每次加电配置数据都必须重新载入。Altera为设计者提供了一系列的配置器件来存储配置数据。,2.5 编程与配置配置芯片,38,2.5 编程与配置,FPGA专用配置器件,2.5 编程与配置FPGA专用配置器件,39,