第4章可编程逻辑器件课件

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,*,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,*,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,2024/8/26,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件2023,1,4.1 可编程逻辑器件（PLD）演变,可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）,可编程器件能够为数字系统设计者带来如下好处,1简化了数字系统设计方法,2数字系统集成度得到提高,3系统可靠性和可用性得到提高,（1）系统健壮性,（2）系统故障可恢复性,（3）系统实时性,（4）系统在线更新性,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.1 可编程逻辑器件（PLD）演变可编程逻辑器件（Pro,2,针对数字系统这个应用工程特例，它的可靠性可以用平均无故障工作时间（Mean Time to Failure，MTTF）来衡量,数字系统可用性就可以根据这两个度量值被定义为：MTTF/（MTTF + MTTR）,100%,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,针对数字系统这个应用工程特例，它的可靠性可以用平均无故障工作,3,4.1.1 可编程逻辑器件（PLD）,PLD内部结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.1.1 可编程逻辑器件（PLD）PLD内部结构教学课件,4,PLD典型输入部件示意图及其输入/输出真值表,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,PLD典型输入部件示意图及其输入/输出真值表教学课件ppt作,5,传统逻辑图与PLD简化图表示,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,传统逻辑图与PLD简化图表示教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰,6,4.1.2 可编程只读存储器（PROM）,可编程只读存储器（Programmable Read - Only Memory，PROM）,这种器件由一个不可编程的“与”阵列和一个可编程的“或”阵列组成,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.1.2 可编程只读存储器（PROM）可编程只读存储器（,7,PROM内部结构示意图,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,PROM内部结构示意图教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章,8,4.1.3 现场可编程逻辑阵列（FPLA）,FPLA器件与PROM器件在内部结构设计上也较相似，它也采用一个“与”阵列及一个“或”阵列来构成,它与PROM的重要区别是它的“与”阵列及“或”阵列都是可编程的，并且这些阵列都可以根据实际使用情况进行压缩或扩充,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.1.3 现场可编程逻辑阵列（FPLA）FPLA器件与P,9,FPLA器件内部结构示意图,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,FPLA器件内部结构示意图教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第,10,4.1.4 可编程阵列逻辑（PAL）,PAL（Programmable Array Logic）,由一个“与”阵和一个“或”阵构成,“与”阵是可编程的，而“或”阵列则采用了固定结构模型,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.1.4 可编程阵列逻辑（PAL）PAL（Program,11,PAL器件内部结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,PAL器件内部结构教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编,12,PAL器件实际上有三种类型,第一种类型结构图,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,PAL器件实际上有三种类型第一种类型结构图教学课件ppt作者,13,第二种类型结构图,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,第二种类型结构图教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程,14,第三种类型结构图,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,第三种类型结构图教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程,15,4.1.5 通用阵列逻辑（GAL）,GAL（Generic Array Logic）,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.1.5 通用阵列逻辑（GAL）GAL（Generic,16,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,17,OLMC的内部结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,OLMC的内部结构教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编,18,为保证GAL器件正常运行，在GAL器件的OLMC内部还设置了4个多路开关，它们分别是PTMUX、FMUX、TSMUX和OMUX。,1多路开关PTMUX,2多路开关OMUX,3多路开关TSMUX,4多路开关FUMX,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,为保证GAL器件正常运行，在GAL器件的OLMC内部还设置了,19,纯输入模式的组态等效电路结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,纯输入模式的组态等效电路结构教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰,20,纯组合逻辑输出模式的组态等效电路结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,纯组合逻辑输出模式的组态等效电路结构教学课件ppt作者王茜黄,21,三态控制的纯组合逻辑输出模式的组态等效电路结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,三态控制的纯组合逻辑输出模式的组态等效电路结构教学课件ppt,22,组合逻辑和时序逻辑混合输出模式的组态等效电路结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,组合逻辑和时序逻辑混合输出模式的组态等效电路结构教学课件pp,23,纯时序逻辑输出模式的组态等效电路结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,纯时序逻辑输出模式的组态等效电路结构教学课件ppt作者王茜黄,24,4.2 可编程器件设计,4.2.1 可编程器件开发工具演变,在20世纪70年代末，由MMI公司推出针对己方公司可编程器件开发的基于汇编程序的PALASM开发平台,在20世纪80年代初，由辅助技术公司（Los Gatos）和DATAI/O公司（Redmond）各自独立开发出基于编译型的CUPL和ABEL软件包,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.2 可编程器件设计4.2.1 可编程器件开发工具演变,25,4.2.2 可编程器件设计过程与举例,可编程器件设计过程第一步是器件引脚资源初始化描述，在该描述中需要将确定使用的可编程器件引脚进行逐一定义并确定引脚名。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.2.2 可编程器件设计过程与举例可编程器件设计过程第一,26,可编程器件设计过程第二步是设计者对可编程器件功能进行描述。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,可编程器件设计过程第二步是设计者对可编程器件功能进行描述。教,27,设计实现（Design Implementation）是完成可编程器件设计的核心环节,设计实现实际上是由下面6个过程构成,（1）优化（Optimization）过程,（2）合并（Merging）过程,（3）分割（Partitioning）过程,（4）布局（Placement）过程,（5）布线（Routing）过程,（6）数据文件生成（JEDEC或Bit Stream Generation）过程,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,设计实现（Design Implementation）是完成,28,可编程器件设计第三步是下载和配置，它是将通过开发工具编译器形成的数据文本放置到某个具体可编程器件中，从而生成设计者所需要达到逻辑功能的可编程器件,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,可编程器件设计第三步是下载和配置，它是将通过开发工具编译器形,29,4.3 两种常用的HDPLD可编程逻辑器件,4.3.1 按集成度分类的可编程逻辑器件,分成低密度可编程逻辑器件（Low Density Programmable Logic Device，LDPLD）和高密度可编程逻辑器件（High Density Programmable Logic Device，HDPLD）,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.3 两种常用的HDPLD可编程逻辑器件4.3.1 按,30,可编程器件分类,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,可编程器件分类教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻,31,4.3.2 CPLD可编程器件,CPLD器件由可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线3种内部结构来组成,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.3.2 CPLD可编程器件CPLD器件由可编程逻辑宏单,32,Lattice公司ispLSI6192可编程器件内部结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,Lattice公司ispLSI6192可编程器件内部结构教学,33,HDPLD器件内部结构一般由如下几个部分组成,（1）通用逻辑块（GLB）,（2）输入/输出单元（IOC）,（3）全局布线区（GRP）,（4）输出布线区（ORP）,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,HDPLD器件内部结构一般由如下几个部分组成教学课件ppt作,34,Lattice公司ispLSI2000系列可编程逻辑器件的GLB结构,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,Lattice公司ispLSI2000系列可编程逻辑器件的G,35,ispLSI6192时钟结构配置,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,ispLSI6192时钟结构配置教学课件ppt作者王茜黄仁许,36,4.3.3 FPGA可编程器件,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,4.3.3 FPGA可编程器件教学课件ppt作者王茜黄仁许,37,FPGA器件具有如下几个特点,（1）LCA构件类似于门阵列，它通过嵌入在器件内部的可编程链路资源实现LCA构件内部信号传输互连，该互连结果保证了器件按设计者意愿将CLB实现功能互通。同时因设计者可以直接对CLB、I/OB和PI进行编程，所以保证了FPGA具有极大逻辑可容空间能力来实现各类逻辑函数。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,FPGA器件具有如下几个特点教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰,38,（2）为提高FPGA器件运行速度，在器件制作工艺上都采用了CMOS技术。这主要是CMOS工艺具有高速、低能耗、微功率、低辐射等优点，这正是绿色电子技术所倡导的几种设计指标。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,（2）为提高FPGA器件运行速度，在器件制作工艺上都采用了C,39,（3）为实现FPGA器件具备可再重入能力，在器件制作工艺上还采用了内置CMOS SRAM配置存储器结构，设计者对FPGA的配置数据都被直接存储在该SRAM中，同样设计者开发过程中通过开发器产生各种LCA配置数据文件，并经过数据配置接口下载到器件内部SRAM中。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,（3）为实现FPGA器件具备可再重入能力，在器件制作工艺上还,40,FPGA中SRAM基本单元示意图,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,FPGA中SRAM基本单元示意图教学课件ppt作者王茜黄仁许,41,XC4000系列是Xilinx公司第二代产品，其器件特点如下。,1在XC4000中CLB是由用外部输入标注为F,1,F,4,和G,1,G,4,两组具有独立输入能力的4输入逻辑函数发生器和一个组合函数发生器H来构成。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,XC4000系列是Xilinx公司第二代产品，其器件特点如下,42,Xilinx公司的XC4000器件CLB结构示意图,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,Xilinx公司的XC4000器件CLB结构示意图教学课件,43,XC4000 RAM配置结构示意图,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,XC4000 RAM配置结构示意图教学课件ppt作者王茜黄仁,44,XC4000的逻辑函数发生器具有如下几种配置方式：,（1）具有双数据输入和双数据输出的两个16,1独立RAM结构；,（2）具有单数据输入和单数据输出的一个32,1 RAM结构；,（3）具有单数据输入的一个16,1 RAM结构和一个5输入组合逻辑函数发生器,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,XC4000的逻辑函数发生器具有如下几种配置方式：教学课件p,45,2XC4000系列可编程输入/输出模块（IOB）对以前系列产品也做了一些技术改进。它除了在器件上增加其数据、时钟和控制可选度外，另一个重要特征是增加了与IEEE 1149.1边界扫描测试（Boundary Scan Test，BST）标准兼容的测试结构和多个宽边译码器。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,2XC4000系列可编程输入/输出模块（IOB）对以前系列,46,3XC4000系列可编程内部连线也在以前产品基础上做了一些调整和修改。传统可编程器件一般都采用器件左边引脚为输入端口集，而器件右边引脚为输出端口集，这样数字系统将按数据流从左往右规则流经可编程器件载体，显然这种设计布局对器件使用还是有一些限制，从而减少了器件结构布局灵活性。而XC4000系列则采用了输出/输入均匀分布四周布局格式，使得FPGA在结构布局设计中更加规范和对称。为保证这种新颖结构布局设计需求，该器件在PI方面采用了长线（Long Line，LL）、单长线（Single Length Line，SLL）和双长线（Double Length Line，DLL）三种可编程内部连线模式。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,3XC4000系列可编程内部连线也在以前产品基础上做了一些,47,（1）长线连接方式,在FPGA器件内部，可编程内部连线资源是由夹在两列CLB之间垂直连线和夹在两行CLB之间水平连线构成的网格模式，长线连接是其中一种连线资源,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,（1）长线连接方式教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编,48,（2）单长线连接方式,单长线是指器件内部相邻CLB之间垂直与水平网格连线，并在垂直与水平连线正交位置上设置了纵横交叉开关（Crossbar），各个纵横交叉开关实现器件内部单长线连接，它通常被用于在器件内部某个局部区域上进行信号传输。,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,（2）单长线连接方式教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可,49,演讲完毕，谢谢听讲,!,再见，see you again,3rew,2024/8/26,教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第4章可编程逻辑器件,演讲完毕，谢谢听讲!再见，see you again3rew,50,