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1、EDAEDA技术与技术与VHDL VHDL 第第2 2章章PLDPLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术 2021/9/1712.1 2.1 概概 论论 图图2-1 基本基本PLD器件的原理结构图器件的原理结构图 2021/9/1722.1 2.1 概概 论论 2.1.1 PLD2.1.1 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器器件件 内嵌复杂内嵌复杂功能模块功能模块的的SoPC 2021/9/1732.1.2 PLD的分类的分类图图2-2 按集成度按集成
2、度(PLD)分类分类 2021/9/1742.3 CPLD2.3 CPLD的结构与工作原理的结构与工作原理 图图2-26 MAX7000系列的单个宏单元结构系列的单个宏单元结构 2021/9/1752.3 CPLD2.3 CPLD的结构与工作原理的结构与工作原理 图图2-27 MAX7128S的结构的结构 1逻辑阵列块逻辑阵列块(LAB)2021/9/1762.3 CPLD2.3 CPLD的结构与工作原理的结构与工作原理 2 2宏单元宏单元 逻辑阵列、逻辑阵列、乘积项选择矩阵乘积项选择矩阵、可编程寄存器、可编程寄存器 全局时钟信号。全局时钟信号。全局时钟信号由高电平有效的时钟信号使能。全局时钟
3、信号由高电平有效的时钟信号使能。用乘积项实现一个阵列时钟。用乘积项实现一个阵列时钟。2021/9/1772.3 CPLD2.3 CPLD的结构与工作原理的结构与工作原理 3 3扩展乘积项扩展乘积项 图图2-28 共享扩展乘积项结构共享扩展乘积项结构 2021/9/1783 3扩展乘积项扩展乘积项 图图2-29 并联扩展项馈送方式并联扩展项馈送方式 共享扩展项共享扩展项 并联扩展项并联扩展项 2021/9/1792.3 CPLD2.3 CPLD的结构与工作原理的结构与工作原理 4 4可编程连线阵列可编程连线阵列(PIA)(PIA)图图2-30 PIA信号布线到信号布线到LAB的方式的方式 202
4、1/9/17105 5I/OI/O控制块控制块 图图2-31 EPM7128S器件的器件的I/O控制块控制块 2021/9/17112.4 FPGA2.4 FPGA的结构与工作原理的结构与工作原理 2.4.1 2.4.1 查找表逻辑结构查找表逻辑结构 图图2-32 FPGA查找表单元查找表单元 2021/9/17122.4.1 2.4.1 查找表逻辑结构查找表逻辑结构 图图2-33 FPGA查找表单元内部结构查找表单元内部结构 2021/9/17132.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 图图2-34 Cyclone LE结构图结构图 20
5、21/9/17142.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 图图2-35 Cyclone LE普通模式普通模式 2021/9/17152.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 图图2-36 Cyclone LE动态算术模式动态算术模式 2021/9/17162.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 图图2-37 Cyclone LAB结构结构 2021/9/17172.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列
6、器件的结构与原理 图图2-38 LAB阵列阵列 2021/9/17182.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 图图2-39 LAB控制信号生成控制信号生成 2021/9/17192.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 图图2-40 快速进位选择链快速进位选择链 2021/9/17202.4 FPGA2.4 FPGA的结构与工作原理的结构与工作原理 图图2-41 LUT链和寄存器链的使用链和寄存器链的使用 2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结
7、构与原理 2021/9/17212.4 FPGA2.4 FPGA的结构与工作原理的结构与工作原理 图图2-42 LVDS连接连接 2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 2021/9/17222.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD产品概述产品概述 2.6.1 Lattice2.6.1 Lattice公司公司CPLDCPLD器件系列器件系列 1.ispLSI器件系列器件系列（1）ispLSI1000E系列。系列。（2）ispLSI2000E/2000VL/200VE系列。系列。（3）ispLSI5000V系列。系列。（4）isp
8、LSI 8000/8000V系列。系列。2021/9/17232.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD产品概述产品概述 2.6.1 Lattice2.6.1 Lattice公司公司CPLDCPLD器件系列器件系列 2.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。2021/9/17242.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CP
9、LD产品概述产品概述 2.6.1 Lattice2.6.1 Lattice公司公司CPLDCPLD器件系列器件系列 3.ispMACH4000系列系列 4.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。2021/9/17252.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD产品概述产品概述 2.6.2 Xilinx2.6.2 Xilinx公司的公司的FPGAFP
10、GA和和CPLDCPLD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 2021/9/17262.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD产品概述产品概述 2.6.3 Altera2.6.3 Altera公司公司FPGAFPGA和和CPLDCPLD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系列系列FP
11、GA 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 2021/9/17272.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD产品概述产品概述 2.6.4 Actel2.6.4 Actel公司的公司的FPGAFPGA器件器件 2.6.5 Altera2.6.5 Altera公司的公司的FPGAFPGA配置方式与配置器件配置方式与配置器件 器器 件件功能描述功能描述封装形式封装形式EPC216956801位，
12、位，3.3/5V供电供电20脚脚PLCC、32 脚脚 TQFPEPC110464961位，位，3.3/5V供电供电8脚脚PDIP、20脚脚PLCCEPC1441440 8001位，位，3.3/5V供电供电8脚脚PDIP、20脚脚PLCC表表2-2 Altera FPGA常用配置器件常用配置器件 2021/9/17282.7 2.7 编程与配置编程与配置 表表2-3 图图2-48接口各引脚信号名称接口各引脚信号名称 基于电可擦除存储单元的基于电可擦除存储单元的EEPROM或或Flash技术。技术。基于基于SRAM查找表的编程单元。查找表的编程单元。基于反熔丝编程单元。基于反熔丝编程单元。引脚引脚
13、12345678910PS模式模式DCKGNDCONF_DONEVCCnCONFIG-nSTATUS-DATA0GNDJATG模式模式TCKGNDTDOVCCTMS-TDIGND2021/9/17292.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.1 JTAG2.7.1 JTAG方式的在系统编程方式的在系统编程 图图2-48 CPLD编程下载连接图编程下载连接图 2021/9/17302.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.1 JTAG2.7.1 JTAG方式的在系统编程方式的在系统编程 图图2-49 多多CPLD芯片芯片ISP编程连接方式编程连接方式 2021/9/17312.7 2.7
14、 编程与配置编程与配置 2.7.2 2.7.2 使用使用PCPC并行口配置并行口配置FPGAFPGA 图图2-50 PS模式，模式，FLEX10K配置时序配置时序 2021/9/17322.7.2 2.7.2 使用使用PCPC并行口配置并行口配置FPGAFPGA 图图2-51 多多FPGA芯片配置电路芯片配置电路 2021/9/17332.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.3 FPGA2.7.3 FPGA专用配置器件专用配置器件 图图2-52 FPGA使用使用EPC配置器件的配置时序配置器件的配置时序 2021/9/17342.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.3 FPGA2.
15、7.3 FPGA专用配置器件专用配置器件 图图2-53 FPGA的配置电路原理图的配置电路原理图（注，此图来自（注，此图来自Altera资料，中间一上拉线应串资料，中间一上拉线应串1K电阻）电阻）2021/9/17352.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.3 FPGA2.7.3 FPGA专用配置器件专用配置器件 图图2-54 EPCS器件配置器件配置FPGA的电路原理图的电路原理图 2021/9/17362.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.4 2.7.4 使用单片机配置使用单片机配置FPGA FPGA 图图2-55 用用89C52进行配置进行配置 2021/9/17372.7
16、 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.5 2.7.5 使用使用CPLDCPLD配置配置FPGA FPGA 使用单片机配置的缺点：使用单片机配置的缺点：1、速度慢，不适用于大规模、速度慢，不适用于大规模FPGA和高可靠应用；和高可靠应用；2、容量小，单片机引脚少，不适合接大的、容量小，单片机引脚少，不适合接大的ROM以存以存 储较大的配置文件；储较大的配置文件；3、体积大，成本和功耗都不利于相关的设计。、体积大，成本和功耗都不利于相关的设计。2021/9/1738习习 题题 2-1 OLMC有何功能？说明有何功能？说明GAL是怎样实现可编程组合电路与时序电是怎样实现可编程组合电路与时序电 路的
17、。路的。2-2 什么是基于乘积项的可编程逻辑结构？什么是基于乘积项的可编程逻辑结构？2-3 什么是基于查找表的可编程逻辑结构？什么是基于查找表的可编程逻辑结构？2-4 FLEX10K系列器件中的系列器件中的EAB有何作用？有何作用？2-5 与传统的测试技术相比，边界扫描技术有何优点？与传统的测试技术相比，边界扫描技术有何优点？2-6 解释编程与配置这两个概念。解释编程与配置这两个概念。2-7 请参阅相关资料，并回答问题：如本章给出的归类方式，将基于乘请参阅相关资料，并回答问题：如本章给出的归类方式，将基于乘 积项的可编程逻辑结构的积项的可编程逻辑结构的PLD器件归类为器件归类为CPLD；将基于
18、查找表的可编；将基于查找表的可编程逻辑结构的程逻辑结构的PLD器件归类为器件归类为FPGA，那么，那么，APEX系列属于什么类型系列属于什么类型PLD器件？器件？MAX II系列又属于什么类型的系列又属于什么类型的PLD器件？为什么？器件？为什么？2021/9/1739实实 验验 与与 设设 计计 单片机或单片机或CPLD及及EPROM配置配置FPGA电路设计电路设计 根根据据图图2-50和和图图2-55设设计计一一个个可可对对EPF1K30配配置置的的电电路路，其其中中的的配配置置文文件件存存储储器器可可以以用用EPROM(如如27C040)担担任任，配配置置控控制制器器用用EPM7128S或或89C51来来担担任任，要要求求EPROM能能放放置置2个个配配置置文文件件，由由CPLD或或单单片片机机通通过过控控制制EPROM地地址址线线的的方方式式，根根据据接接受受命命令令的的方方式式对对FPGA配配置置不不同同的的配配置文件。置文件。2021/9/1740