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1、第第2章章 FPGA/CPLD器件器件2021/9/1712.1 PLD2.1 PLD器件概述器件概述器件概述器件概述2.2 PLD2.2 PLD的基本原理与结构的基本原理与结构的基本原理与结构的基本原理与结构2.3 2.3 低密度低密度低密度低密度PLDPLD的原理与结构的原理与结构的原理与结构的原理与结构2.4 CPLD2.4 CPLD的原理与结构的原理与结构的原理与结构的原理与结构2.5 FPGA2.5 FPGA的原理与结构的原理与结构的原理与结构的原理与结构2.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD的编程元件的编程元件的编程元件的编程元件2.7 2.7 边界扫描测试技术边界扫
2、描测试技术边界扫描测试技术边界扫描测试技术2.8 FPGA/CPLD2.8 FPGA/CPLD的编程与配置的编程与配置的编程与配置的编程与配置2.9 FPGA/CPLD2.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述器件概述器件概述2.10 FPGA/CPLD2.10 FPGA/CPLD的发展趋势的发展趋势的发展趋势的发展趋势 内容内容第第2章章 FPGA/CPLD器件器件 2021/9/1722.1 PLD器件概述器件概述PLD的发展历程的发展历程 熔丝编程的熔丝编程的PROM和和PLA器件器件 AMD公公司推出司推出PAL器件器件 GAL器件器件 FPGA器器件件 EPLD器器件件 CPLD器器
3、件件 内嵌复杂内嵌复杂功能模块功能模块的的SoPC 2021/9/173 1985年，美国年，美国Xilinx公司推出了现场可编程公司推出了现场可编程门阵列（门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）CPLD（Complex Programmable Logic Device），即复杂可编程逻辑器件，是从），即复杂可编程逻辑器件，是从EPLD改进而来的。改进而来的。PLD的发展的发展2021/9/174PLD的集成度分类的集成度分类一般将一般将GAL22V10（500门门750门门）作为简单）作为简单PLD和高密度和高密度PLD的分水岭的分水岭2021/9/
4、175四种四种SPLD器件的区别器件的区别 2021/9/176PLD器件按照可以编程的次数可以分为两类：器件按照可以编程的次数可以分为两类：(1)一次性编程器件（一次性编程器件（OTP，One Time Programmable）(2)可多次编程器件可多次编程器件OTP类器件的特点是：只允许对器件编程一次，不能修改，类器件的特点是：只允许对器件编程一次，不能修改，而可多次编程器件则允许对器件多次编程，适合于在科研开而可多次编程器件则允许对器件多次编程，适合于在科研开发中使用。发中使用。按编程特点分类按编程特点分类2021/9/177(1)熔丝（熔丝（Fuse）(2)反熔丝（反熔丝（Antif
5、use）编程元件）编程元件(3)紫外线擦除、电可编程，如紫外线擦除、电可编程，如EPROM。(4)电擦除、电可编程方式，电擦除、电可编程方式，(EEPROM、快闪存储器、快闪存储器（Flash Memory），如多数），如多数CPLD(5)静态存储器（静态存储器（SRAM）结构，如多数）结构，如多数FPGA 按编程元件和编程工艺分类按编程元件和编程工艺分类非易失性非易失性非易失性非易失性器件器件器件器件易失性器件易失性器件2021/9/178PLD器件的原理结构图器件的原理结构图 2.2 PLD的基本原理与结构的基本原理与结构2021/9/179数字电路符号表示数字电路符号表示 数字逻辑电路的
6、两种国标符号对照数字逻辑电路的两种国标符号对照 2021/9/1710PLD电路符号表示电路符号表示 PLD的输入缓冲电路的输入缓冲电路 PLD与阵列表示与阵列表示PLD或阵列表示或阵列表示2021/9/1711PLD连接表示法连接表示法 2021/9/17122.3 低密度低密度PLD的原理与结构的原理与结构 PROM PROM的逻辑阵列结构的逻辑阵列结构 2021/9/1713PROM PROM表达的表达的PLD阵列图阵列图 2021/9/1714PROM 用用PROM完成半加器逻辑阵列完成半加器逻辑阵列 2021/9/1715PLA PLA逻辑阵列示意图逻辑阵列示意图 2021/9/17
7、16PAL PAL结构结构 PAL的常用表示的常用表示 2021/9/1717PAL PAL22V10部分结构图部分结构图2021/9/1718GAL GAL22V10的结构（局部）的结构（局部）2021/9/1719 GAL22V10的的OLMC结构结构2021/9/1720CPLD器件器件的结构的结构2.4 CPLD的原理与结构的原理与结构2021/9/1721CPLD器件器件宏单元内部宏单元内部结构示意图结构示意图 2021/9/1722典型典型CPLD器件的结构器件的结构 MAX 7000S器件的内部结构器件的内部结构 2021/9/1723 MAX 7000S器件的宏单元结构器件的宏
8、单元结构2021/9/1724MispLSI 1032器件的器件的GLB的结构的结构 2021/9/1725XC9500器件的宏单元结构器件的宏单元结构 2021/9/17262.5 FPGA的原理与结构的原理与结构 查找表结构查找表结构 2021/9/1727查找表原理查找表原理2021/9/1728查找表结构查找表结构 4输入输入LUT及内部结构图及内部结构图 2021/9/1729FPGA器件的内部结构示意图器件的内部结构示意图 2021/9/1730典型典型FPGA的结构的结构 XC4000器件的器件的CLB结构结构2021/9/1731 Cyclone器件的器件的LE结构（普通模式）
9、结构（普通模式）典型典型FPGA的结构的结构 2021/9/17321熔丝熔丝(Fuse)型器件型器件 2反熔丝反熔丝(Anti-fuse)型器件型器件 3EPROM型，紫外线擦除电可编程型，紫外线擦除电可编程4EEPROM型型 6SRAM型型 5Flash型型 2.6 FPGA/CPLD的编程元件的编程元件 2021/9/1733边界扫描电路结构边界扫描电路结构边界扫描电路结构边界扫描电路结构 为了解决超大规模集成电路（为了解决超大规模集成电路（VLSI）的测试问题，自）的测试问题，自1986年开始，年开始，IC领领域的专家成立了域的专家成立了“联合测试行动组联合测试行动组”（JTAG，Jo
10、int Test Action Group），），并制定出了并制定出了IEEE 1149.1边界扫描测试（边界扫描测试（BST，Boundary Scan Test）技术）技术规范规范2.7 边界扫描测试技术边界扫描测试技术 2021/9/1734引引 脚脚描描 述述功功 能能TDI测试数据输入测试数据输入(Test Data Input)测试指令和编程数据的串行输入引脚。数据在测试指令和编程数据的串行输入引脚。数据在TCK的上升沿移入。的上升沿移入。TDO测试数据输出测试数据输出(Test Data Output)测试指令和编程数据的串行输出引脚，数据在测试指令和编程数据的串行输出引脚，数据
11、在TCK的下降沿移出。如果数据没有被移出时，该引脚处的下降沿移出。如果数据没有被移出时，该引脚处于高阻态。于高阻态。TMS测试模式选择测试模式选择(Test Mode Select)控制信号输入引脚，负责控制信号输入引脚，负责TAP控制器的转换。控制器的转换。TMS必须在必须在TCK的上升沿到来之前稳定。的上升沿到来之前稳定。TCK测试时钟输入测试时钟输入(Test Clock Input)时钟输入到时钟输入到BST电路，一些操作发生在上升沿，而电路，一些操作发生在上升沿，而另一些发生在下降沿。另一些发生在下降沿。TRST测试复位输入测试复位输入(Test Reset Input)低电平有效，
12、异步复位边界扫描电路低电平有效，异步复位边界扫描电路(在在IEEE规范规范中，该引脚可选中，该引脚可选)。边界扫描边界扫描IO引脚功能引脚功能 2021/9/1735边界扫描数据移位方式边界扫描数据移位方式 2021/9/17362.8 FPGA/CPLD的编程与配置的编程与配置未编程前先焊接安装未编程前先焊接安装n减少对器件的触摸减少对器件的触摸和损伤和损伤n不计较器件的封装不计较器件的封装形式形式系统内编程系统内编程-ISPn样机制造方便样机制造方便n支持生产和测试支持生产和测试流程中的修改流程中的修改在系统现场重编程修改在系统现场重编程修改n允许现场硬件升级允许现场硬件升级n迅速方便地提
13、升功能迅速方便地提升功能ISP功能提高设计和应用的灵活性2021/9/1737下载接口引脚信号名称下载接口引脚信号名称 引脚引脚12345678910PS模式模式DCKGNDCONF_DONEVCCnCONFIG-nSTATUS-DATA0GNDJATG模模式式TCKGNDTDOVCCTMS-TDIGND2.8 FPGA/CPLD的编程与配置的编程与配置USB-Blaster下载电缆下载电缆2021/9/1738JTAG方式的在系统编程方式的在系统编程 CPLD编程下载连接图编程下载连接图 2021/9/1739JTAG方式的在系统编程方式的在系统编程 多个多个MAX器件的器件的JTAG链配置
14、方式链配置方式2021/9/1740FPGA器件的配置器件的配置Cyclone器件的器件的AS模式配置电路模式配置电路 2021/9/1741FPGA专用配置器件专用配置器件 EPCS器件配置器件配置FPGA的电路原理图的电路原理图 2021/9/1742使用单片机配置使用单片机配置FPGA 微处理器微处理器PS模式配置模式配置FPGA的电路连接图的电路连接图 2021/9/17432.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述Lattice公司公司CPLD器件系列器件系列 ispLSI器件的结构与特点器件的结构与特点（1）采用）采用UltraMOS工艺。工艺。（2）系统可编程功能，所有的）系统可
15、编程功能，所有的ispLSI器件均支持器件均支持ISP功能。功能。（3）边界扫描测试功能。）边界扫描测试功能。（4）加密功能。）加密功能。（5）短路保护功能。）短路保护功能。2021/9/17442.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述 Lattice公司公司CPLD器件器件系列系列 ispMACH4000系列系列 Lattice EC&ECP系列系列 ispMACH4000系列系列CPLD器件有器件有3.3V、2.5V 和和 1.8V 三种供电电压，分别属于三种供电电压，分别属于 ispMACH 4000V、ispMACH 4000B 和和 ispMACH 4000C 器件系列。器件系列。
16、2021/9/17452.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述 Xilinx公司的公司的FPGA和和CPLD器件系列器件系列 1.Virtex-4系列系列FPGA 2.Spartan&Spartan-3&Spartan 3E器件系列器件系列 3.XC9500&XC9500XL系列系列CPLD 4.Xilinx FPGA配置器件配置器件SPROM 5.Xilinx的的IP核核 2021/9/17462.9 FPGA/CPLD器件概述器件概述 Altera公司公司FPGA和和CPLD器件系列器件系列 1.Stratix II 系列系列FPGA 2.Stratix系列系列FPGA 3.ACEX系列
17、系列FPGA 4.FLEX系列系列FPGA 5.MAX系列系列CPLD 6.Cyclone系列系列FPGA低成本低成本FPGA 7.Cyclone II系列系列FPGA 8.MAX II系列器件系列器件 9.Altera宏功能块及宏功能块及IP核核 2021/9/17472.10 FPGA/CPLD的发展趋势的发展趋势 1）向大规模、高集成度方向进一步发展）向大规模、高集成度方向进一步发展 2）向低电压、低功耗的方向发展）向低电压、低功耗的方向发展 3）向高速可预测延时的方向发展）向高速可预测延时的方向发展 4）在）在PLD器件内嵌入更多功能模块器件内嵌入更多功能模块 5）向模数混合可编程方向
18、发展）向模数混合可编程方向发展 2021/9/1748习习 题题 2 2.1 PLA和和PAL在结构上有什么区别？在结构上有什么区别？2.2 说明说明GAL的的OLMC有什么特点，它怎样实现可编程组合电有什么特点，它怎样实现可编程组合电路和时序电路？路和时序电路？2.3 简述基于乘积项的可编程逻辑器件的结构特点。简述基于乘积项的可编程逻辑器件的结构特点。2.4 基于查找表的可编程逻辑结构的原理是什么？基于查找表的可编程逻辑结构的原理是什么？2.5 基于乘积项和基于查找表的结构各有什么优点？基于乘积项和基于查找表的结构各有什么优点？2.6 CPLD和和FPGA在结构上有什么明显的区别，各有何特点？在结构上有什么明显的区别，各有何特点？2.7 FPGA器件中的存储器块有何作用？器件中的存储器块有何作用？2.8 Altera的的MAX 器件是属于器件是属于CPLD还是还是FPGA，请查阅有关，请查阅有关资料并进行分析。资料并进行分析。2.9 边界扫描技术有什么优点？边界扫描技术有什么优点？2.10 说说说说JTAG接口都有哪些功能。接口都有哪些功能。2.11 FPGA/CPLD器件未来的发展趋势有哪些？器件未来的发展趋势有哪些？2021/9/1749