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1、第二章 大规模可编程逻辑器件1第1页，本讲稿共35页可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)是用来是用来实现定制逻辑功能的、实现定制逻辑功能的、用户可自由配置用户可自由配置的数字集成电路的数字集成电路(ICs)。可编程逻辑器件可以可编程逻辑器件可以利用其内部逻辑结构实现利用其内部逻辑结构实现任何的布尔表达式或者寄存器功能。任何的布尔表达式或者寄存器功能。相反，相反，象象TTL 器件等现有的逻辑集成电路（器件等现有的逻辑集成电路（Ics）只能提供特定的逻辑功能，不能通过修改来）只能提供特定的逻辑功能，不能通过修改来满足具体电路的设计要求满足具体电路的设计要求。2第2页，本讲稿共35页近年近年 PL
2、D的发展的发展 密度：单片已达密度：单片已达1亿系统门亿系统门 速度：达速度：达1000MHz以上以上 线宽：已达线宽：已达 60 nm，属甚深亚微米技术，属甚深亚微米技术 （VDSMVery Deep Sub Micrometer）PLD最显著的特点：最显著的特点：高集成度、高速度、高可靠高集成度、高速度、高可靠、在系统编程（在系统编程（ISP_In System Programming）PLD已占整个已占整个IC产值的产值的40%以上。以上。PLD的产量、的产量、集成度每年增加集成度每年增加35%，成本降低，成本降低40%。3第3页，本讲稿共35页 Altera 产品系列主要性能产品系列主
3、要性能 4第4页，本讲稿共35页Altera公司千万门级的公司千万门级的FPGA(SOC):Stratix 5第5页，本讲稿共35页2.1 可编程逻辑器件的两种主要结构可编程逻辑器件的两种主要结构 PLD（FPGA、CLPD）种类繁多，特点各异。）种类繁多，特点各异。共同共同之处之处包括三大部分：包括三大部分：a.一个二维的一个二维的逻辑块阵列逻辑块阵列，构成了，构成了PLD器件器件 的逻辑核心。的逻辑核心。b.I/O(输入输入/输输)出块出块。c.连接逻辑块的连接逻辑块的互连资源互连资源，用于逻辑块之间、，用于逻辑块之间、逻辑块与输入逻辑块与输入/输出块之间的连接。输出块之间的连接。6第6页
4、，本讲稿共35页PLD结构图结构图输入输入/输出块输出块互连资源互连资源逻辑块逻辑块(逻辑阵列）逻辑阵列）7第7页，本讲稿共35页 FPGA（Field Programmable Gates Array）CPLD（Complex Programmable Logic Device）FPGA：现场可编程门阵列型：现场可编程门阵列型FPGA具有门阵列具有门阵列的结构形式，它有许多的结构形式，它有许多可编程单元（或称逻辑功能块）排可编程单元（或称逻辑功能块）排成阵列组成成阵列组成。逻辑单元的。逻辑单元的核心为核心为由静态存储器（由静态存储器（SRAM）构成的函数发生器，即构成的函数发生器，即查找表查
5、找表。特点：由多种长度不同的连线资源组成，特点：由多种长度不同的连线资源组成，每次布线的延每次布线的延迟可不同迟可不同，属统计型结构，即，属统计型结构，即每次执行的功能相同，却每次执行的功能相同，却能给出不同的布线形式能给出不同的布线形式。8第8页，本讲稿共35页一个一个N输入查找表输入查找表(LUT，Look Up Table)可以实现可以实现N个输入变量的任何逻辑功能，如个输入变量的任何逻辑功能，如 N输入输入“与与”、N输入输入“异或异或”等。等。输入多于输入多于N个的函数个的函数、方程必须分开用几个查找表（、方程必须分开用几个查找表（LUT）实现）实现输出输出查黑查黑找盒找盒表子表子输
6、入输入1输入输入2输入输入3输入输入4什么是查找表什么是查找表?9第9页，本讲稿共35页0000010100000101输入输入 A 输入输入 B 输入输入C 输入输入D 查查 找找 表表输输出出16x1RAM查找表原理查找表原理多路选择器多路选择器10第10页，本讲稿共35页用查找表实现用查找表实现4输入与门的原理输入与门的原理11第11页，本讲稿共35页含查找表的逻辑单元：（含查找表的逻辑单元：（FPGA）12第12页，本讲稿共35页 CPLD：以逻辑宏单元为基础，加上内部的与或阵列：以逻辑宏单元为基础，加上内部的与或阵列和外围的和外围的I/O模块组成。模块组成。逻辑单元主要由逻辑单元主要
7、由“与或阵列与或阵列”构构成成。任意一个组合逻辑都可以用任意一个组合逻辑都可以用“与与或或”表达式来描述表达式来描述，所以该，所以该“与与或阵列或阵列”的的“乘积项乘积项”结构结构 能实现大量的组合逻辑功能。能实现大量的组合逻辑功能。特点：内部互连结构特点：内部互连结构由固定长度的连线资源组成，由固定长度的连线资源组成，布线的延迟确定布线的延迟确定，属确定型结构。，属确定型结构。13第13页，本讲稿共35页简单的简单的“与或与或”阵列：（阵列：（PAL、GAL、CPLD）14第14页，本讲稿共35页右图逻辑：右图逻辑：O2=!I2&!I1&I0#I2&I0#I1&!I0 O1=I2&!I1&!
8、I0#I1&!I0O0=!I1&!I0#I2&!I1&!I0PAL结构结构逻辑功能可逻辑功能可变化的硬件变化的硬件结构。结构。15第15页，本讲稿共35页EPM7128系列系列CPLD的逻辑宏单元：的逻辑宏单元：16第16页，本讲稿共35页CPLD和和FPGA的的主要区别主要区别：1、结构上的不同（、结构上的不同（逻辑单元的构成不同逻辑单元的构成不同）2、集成度的不同集成度的不同 CPLD：500 50000门；门；FPGA：1K 10M 门门 3、应用范围的不同应用范围的不同 CPLD逻辑能力强而寄存器少（逻辑能力强而寄存器少（1K左右），适用左右），适用于控制密集型系统；于控制密集型系统；
9、FPGA逻辑能力较弱但寄存器多逻辑能力较弱但寄存器多（100多多K），适于数据密集型系统。），适于数据密集型系统。17第17页，本讲稿共35页 Altera 器件结构器件结构 18第18页，本讲稿共35页 Altera 器件的用户器件的用户I/0引脚和可用门引脚和可用门 19第19页，本讲稿共35页2.2 CPLD的结构与工作原理的结构与工作原理-以以ALTERA MAX 7000S 系列为例系列为例Logic Array Block可编程连线阵列可编程连线阵列20第20页，本讲稿共35页PRNCLRNENA逻辑阵列逻辑阵列全局全局清零清零共共享享逻逻辑辑扩扩 展展 项项清零清零时钟时钟清零选
10、清零选择择寄寄 存存 器器旁旁路路并并行行扩扩 展展 项项通通往往 I/O模模块块通往通往 PIA乘乘积积项项选选择择矩矩阵阵来自来自 I/O引脚引脚全局全局时钟时钟QDEN来自来自 PIA（可编程连线阵列）的（可编程连线阵列）的 36个信号个信号快速输入选择快速输入选择2MAX7000的宏单元结构的宏单元结构21第21页，本讲稿共35页2.3 FPGA的结构与工作原理的结构与工作原理I/O BlockLogic BlockProgrammable Interconnect22第22页，本讲稿共35页FPGA分类分类基于基于查找表（查找表（Look-Up table）技术）技术，SRAM(10
11、,000门以上门以上)工艺的大规模工艺的大规模FPGA。基于反熔丝（基于反熔丝（Anti-fuse）多路开关技术多路开关技术的的FPGA。23第23页，本讲稿共35页基于查找表（基于查找表（LUT:Look-Up table）：可编程逻辑块）：可编程逻辑块是查找表，由查找表构成函数发生器是查找表，由查找表构成函数发生器24第24页，本讲稿共35页多路开关类型：可编程逻辑块采用多路开多路开关类型：可编程逻辑块采用多路开关实现逻辑。关实现逻辑。ABField OxideDiffusionPolysiliconPLICE Dielectric25第25页，本讲稿共35页编程后的逻辑连接示例编程后的逻
12、辑连接示例ABAB+AB26第26页，本讲稿共35页.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOCAltera FLEX 10K系列系列FPGA结构图结构图.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOCEABEAB嵌入式嵌入式阵列块阵列块逻辑逻辑阵列块阵列块(LAB)逻辑宏逻辑宏单元单元（LE)快速通道互连快速通道互连27第27页，本讲稿共35页嵌入式阵列块嵌入式阵列块 EAB(Embedded Array Block)EAB 模块图模块图1、EAB结构结构 2048位位 RAM 数据线数据线 最宽最宽8位位 地址线地
13、址线 最宽最宽11位位28第28页，本讲稿共35页EAB可用于实现：可用于实现：FIFO、ROM、RAM、乘法器、乘法器、数字滤波器、数字滤波器、微处理器微处理器利用输入输出可编程寄存器利用输入输出可编程寄存器EAB可实现：可实现：同步设计、同步设计、异步设计异步设计29第29页，本讲稿共35页EAB与分布式与分布式RAM的比较：的比较：分布式分布式RAM：4输入查找表构成输入查找表构成(16 x 1)RAM。由分布式由分布式RAM组成大组成大RAM时，存时，存 取时间变长，并占用大量器件资源。取时间变长，并占用大量器件资源。使用使用EAB占用器件资源少，速度快。占用器件资源少，速度快。30第
14、30页，本讲稿共35页EAB与逻辑单元（与逻辑单元（LE）比较：）比较：EAB用作用作LUT，能实现较复杂的逻辑功能，能实现较复杂的逻辑功能，占用器件面积更小，速度更快。占用器件面积更小，速度更快。逻辑单元实现相对简单的功能。如要实现逻辑单元实现相对简单的功能。如要实现 较复杂功能，则所需逻辑单元较多，占用器件较复杂功能，则所需逻辑单元较多，占用器件 面积较大，速度变慢。面积较大，速度变慢。31第31页，本讲稿共35页逻辑单元（逻辑单元（LE）LE(Logic Element)是是FLEX10K 结构中的最小单元。结构中的最小单元。32第32页，本讲稿共35页FPGA结构特点结构特点 分段布线
15、分段布线 性能性能不可预测，不可预测，不可预测，不可预测，并且，设计每重复一次，性能都会改变并且，设计每重复一次，性能都会改变SourceDest#1Dest#2传统传统 FPGA的分段布线的分段布线Source Dest#1:第一次布线第一次布线:Source Dest#2:第二次布线第二次布线:延迟大幅增加延迟大幅增加!33第33页，本讲稿共35页2.4 如何选用如何选用CPLD/FPGA?适于实现复杂的组合逻辑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复杂的状态机适于实现控制量多的逻辑适于实现控制量多的逻辑应用举例：应用举例：l存储总线控制器存储总线控制器l译码逻辑译码逻辑适于实
16、现数据通路功适于实现数据通路功能能适于实现寄存器用量适于实现寄存器用量大的设计大的设计适于实现算术功能：适于实现算术功能：l加法器、计数器等加法器、计数器等应用举例：应用举例：lDSP 功能功能lPCI 接口接口乘乘 积积 项项 结结 构构/C P L D查查 找找 表表 结结 构构/F P G A34第34页，本讲稿共35页第二章思考题第二章思考题 1、Altera器件有哪些类型？各自特点是什么？器件有哪些类型？各自特点是什么？2、FLEX 10K系列器件的主要组成部分是什么？系列器件的主要组成部分是什么？3、FLEX 10K系列器件中的系列器件中的EAB的特点及其作用的特点及其作用 是什么？是什么？4、ISP有什么意义？有什么意义？5、CPLD和和FPGA有什么差异？在实际应用中各有什么差异？在实际应用中各 有什么特点？有什么特点？35第35页，本讲稿共35页