第二章大规模可编程逻辑器件教材课件

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,*,*,*,可编程逻辑器件（PLD-Programmable Logic,Devices）：,用户构造逻辑功能,传统数字系统,由,固定功能,标,准集成电路74/54系,列、4000、4500系,列构成。设计无灵,活性,芯片种类多，,数目大。,第2章 大规模可编程逻辑器件,1,可编程逻辑器件（PLD-Programmable Logi,可编程逻辑器件(PLD)是用来,实现定制逻辑功能的、用户可自由配置,的数字集成电路,(ICs)。,可编程逻辑器件可以,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。,相反，象TTL 器件等现有的逻辑集成电路,（Ics）只能提供特定的逻辑功能，不能通过修改来满足具体电路的设计要求。,2,可编程逻辑器件(PLD)是用来实现定制逻辑功能的、用户可,近年 PLD的发展,密度：单片已达1亿系统门,速度：达1000MHz以上,线宽：已达 60 nm，属甚深亚微米技术,（VDSMVery Deep Sub Micrometer）,PLD最显著的特点：,高集成度、高速度、高可靠,、,在系统编程（ISP_In System Programming）,PLD已占整个IC产值的40%以上。PLD的产量、,集成度每年增加35%，成本降低40%。,3,近年 PLD的发展3,Altera,产品系列主要性能,4,Altera,Altera公司千万门级的FPGA(SOC):Stratix,5,Altera公司千万门级的FPGA(SOC):Strat,2.1 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。,共同之处,包括三大部分：,a.,一个二维的,逻辑块阵列,，构成了PLD器件,的逻辑核心。,b.,I/O(,输入/输)出块,。,c.连接逻辑块的,互连资源,，用于逻辑块之间、,逻辑块与输入/输出块之间的连接。,6,2.1 可编程逻辑器件的两种主要结构,PLD结构图,输入/输出块,互连资源,逻辑块(逻辑阵列）,7,PLD结构图输入/输出块互连资源逻辑块(逻辑阵列）7,FPGA（Field Programmable Gates Array）,CPLD（Complex Programmable Logic Device）,FPGA：现场可编程门阵列型FPGA具有门阵列的结构形式，它有许多,可编程单元（或称逻辑功能块）排成阵列组成,。逻辑单元的,核心为,由静态存储器（SRAM）构成的函数发生器，即,查找表,。,特点：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，即,每次执行的功能相同，却能给出不同的布线形式,。,8,FPGA（Field Programm,一个N输入查找表,(LUT，Look Up Table)可以实现N个输入变量的任何逻辑功能，如 N输入,“与”、,N输入,“异或”等。,输入多于N个的函数,、方程必须分开用几个查找表（LUT）实现,输出,查黑,找盒,表子,输入1,输入2,输入3,输入4,什么是查找表?,9,一个N输入查找表(LUT，Look Up Table)可以,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,1,0,1,输入 A 输入 B 输入C 输入D,查找表,输出,16x1,RAM,查找表原理,多路选择器,10,0000010100000101输入 A 输入 B,用查找表实现4输入与门的原理,11,用查找表实现4输入与门的原理11,含查找表的逻辑单元：（FPGA）,12,含查找表的逻辑单元：（FPGA）12,CPLD：以逻辑宏单元为基础，加上内部的与或阵列和外围的I/O模块组成。,逻辑单元主要由“与或阵列”构成,。,任意一个组合逻辑都可以用“与或”,表达式来描述,，所以该“与或阵列”的,“乘积项”结构,能实现大量的组合逻辑功能。,特点：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。,13,CPLD：以逻辑宏单元为基础，加上内,简单的“与或”阵列：（,PAL,、GAL、CPLD）,14,简单的“与或”阵列：（PAL、GAL、CPLD）14,右图逻辑：,O2=!I2&!I1&I0#I2&I0#I1&!I0,O1=I2&!I1&!I0#I1&!I0,O0=!I1&!I0#I2&!I1&!I0,PAL,结构,逻辑功能可,变化的硬件,结构。,15,右图逻辑：PAL结构15,EPM7128系列CPLD的逻辑宏单元：,16,EPM7128系列CPLD的逻辑宏单元：16,CPLD和FPGA的,主要区别,：,1、结构上的不同（,逻辑单元的构成不同,）,2、,集成度的不同,CPLD：500 50000门；,FPGA：1K 10M 门,3、,应用范围的不同,CPLD逻辑能力强而寄存器少（1K左右），适用于控制密集型系统；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多（100多K），适于数据密集型系统。,17,CPLD和FPGA的主要区别：1、结构上的不同（逻辑单元的构,Altera 器件结构,18,18,Altera 器件的用户I/0引脚和可用门,19,Altera 器件的用户I,2.2 CPLD的结构与工作原理-,以ALTERA MAX 7000S 系列为例,Logic Array Block,可编程连线阵列,20,2.2 CPLD的结构与工作原理-以ALTERA MA,PRN,CLRN,ENA,逻辑阵列,全局,清零,共享,逻辑,扩展项,清零,时钟,清零选择,寄存器旁路,并行,扩展项,通往 I/O,模块,通往,PIA,乘积项选择矩阵,来自 I/O引脚,全局,时钟,Q,D,EN,来自 PIA（可编程连线阵列）的 36个信号,快速输入选择,2,MAX7000的宏单元结构,21,PRNCLRNENA逻辑阵列全局共享清零时钟清零选择寄存器旁,2.3 FPGA的结构与工作原理,I/O Block,Logic Block,Programmable Interconnect,22,2.3 FPGA的结构与工作原理I/O BlockLog,FPGA分类,基于,查找表（Look-Up table）技术,，,SRAM,(10,000门以上)工艺的大规模FPGA。,基于反熔丝（Anti-fuse）,多路开关技术,的FPGA。,23,FPGA分类基于查找表（Look-Up table）技术，S,基于查找表（LUT:Look-Up table）：可编程逻辑块是查找表，由查找表构成函数发生器,24,基于查找表（LUT:Look-Up table）：可编程逻辑,多路开关类型：可编程逻辑块采用多路开关实现逻辑。,A,B,Field Oxide,Diffusion,Polysilicon,PLICE Dielectric,25,多路开关类型：可编程逻辑块采用多路开关实现逻辑。ABFiel,编程后的逻辑连接示例,A,B,AB+AB,26,编程后的逻辑连接示例ABAB+AB26,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,Altera FLEX 10K系列FPGA结构图,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,.,.,.,IOC,IOC,EAB,EAB,嵌入式,阵列块,逻辑,阵列块(LAB),逻辑宏单元,（LE),快速通道互连,27,.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.I,嵌入式阵列块,EAB(Embedded Array Block),EAB 模块图,1、EAB结构,2048位,RAM,数据线,最宽8位,地址线,最宽11位,28,嵌入式阵列块 1、EAB结构28,EAB可用于实现：,FIFO、ROM、RAM、,乘法器、,数字滤波器、,微处理器,利用输入输出可编程寄存器EAB可实现：,同步设计、,异步设计,29,EAB可用于实现：29,EAB与分布式RAM的比较：,分布式RAM：,4输入查找表构成(16 x 1)RAM。,由分布式RAM组成大RAM时，存,取时间变长，并占用大量器件资源。,使用EAB占用器件资源少，速度快。,30,EAB与分布式RAM的比较：30,EAB与逻辑单元（LE）比较：,EAB,用作LUT，,能实现较复杂的逻辑功能，,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,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。,31,EAB与逻辑单元（LE）比较：31,逻辑单元（LE）,LE(Logic Element)是FLEX10K,结构中的最小单元。,32,逻辑单元（LE）32,FPGA结构特点,分段布线,性能,不可预测，,并且，设计每重复一次，性能都会改变,Source,Dest#1,Dest#2,传统 FPGA的分段布线,Source,Dest#1:,第一次布线:,Source,Dest#2:,第二次布线:,延迟大幅增加,!,33,FPGA结构特点 分段布线 性能不可预测，SourceD,2.4,如何选用CPLD/FPGA?,适于实现复杂的组合逻辑,适于实现复杂的状态机,适于实现控制量多的逻辑,应用举例：,存储总线控制器,译码逻辑,适于实现数据通路功能,适于实现寄存器用量大的设计,适于实现算术功能：,加法器、计数器等,应用举例：,DSP 功能,PCI 接口,乘积项结构/CPLD,查找表结构/FPGA,34,2.4 如何选用CPLD/FPGA?适于实现复杂的组合逻辑适,第二章思考题,1、Altera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？,3、FLEX 10K系列器件中的EAB的特点及其作用,是什么？,4、ISP有什么意义？,5、,CPLD和FPGA有什么差异？在实际应用中各,有什么特点？,35,第二章思考题35,