可编程逻辑器件--PLD

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,器件PLD,课程简介,脉冲与数,字,字电路为,基,基础：学习,了,了数字电路,的,的基本设计,方,方法。,可编程逻,辑,辑器件：,面,面向实际工,程,程应用，紧,跟,跟技术发展,，,，掌握数字,系,系统新的设,计,计方法。,数字信号,处,处理：后,续,续课程，应,用,用的一个方,面,面，由FPGA代替DSP来实现,算,算法，提高,系,系统的速度,。,。,课程宗旨,更新数字电,路,路的设计观,念,念，建立用PLD器件,取,取代传统TTL器件设,计,计数字电路,的,的思想,更新数字系,统,统设计手段,，,，学会使用,硬,硬件描述语,言,言（HardwareDescription Language）代替传,统,统的数字电,路,路设计方法,来,来设计数字,系,系统。,可编程逻辑,器,器件的定义,逻辑器件：,用,用来实现某,种,种特定逻辑,功,功能的电子,器,器件，最简,单,单的逻辑器,件,件是与、或,、,、非门（74LS00,，,，74LS04等），,在,在此基础上,可,可实现复杂,的,的时序和组,合,合逻辑功能,。,。,可编程逻辑,器,器件（PLDProgrammableLogic Device）：,器,器件的功能,不,不是固定不,变,变的，而是,可,可根据用户,的,的需要而进,行,行改变，即,由,由编程的方,法,法来确定器,件,件的逻辑功,能,能。,课程,内,内容,器件,为,为什,么,么能,够,够编,程,程,了解,大,大规,模,模可,编,编程,逻,逻辑,器,器件,的,的结,构,构及,工,工作,原,原理,怎样,对,对器,件,件编,程,程,熟悉,一,一种EDA软,件,件的,使,使用,方,方法,（,（工,具,具）,以Altera公,司,司的MaxPlusII为,例,例,掌握,一,一种,硬,硬件,描,描述,语,语言,（,（方,法,法）,，,，以,设,设计,软,软件,的,的方,式,式来,设,设计,硬,硬件,（,（重,点,点）,以VHDL语,言,言为,例,例,教学,安,安排,理论,教,教学,（,（12学,时,时）,上机,实,实践,（,（20学,时,时）,考核,方,方式,实验,成,成绩,（,（实,验,验报,告,告）,理论,笔,笔试,（,（考,试,试）,上机,考,考试,（,（上,机,机操,作,作）,参考,书,书,脉冲,与,与数,字,字电,路,路课,程,程的,回,回顾,布尔,函,函数,数,数字,系,系统,数,数学,基,基础,（,（卡,诺,诺图,）,）,数字,电,电路,设,设计,的,的基,本,本方,法,法,组合,电,电路,设,设计,问题,逻辑,关,关系,真值,表,表,化简,逻,辑,辑,图,时序,电,电路,设,设计,列出,原,原始,状,状态,转,转移,图,图和,表,表,状态,优,优化,状态,分,分配,触发,器,器选,型,型,求解,方,方程,式,式,逻辑,图,图,脉冲,与,与数,字,字电,路,路课,程,程的,回,回顾,使用,中,中、,小,小规,模,模器,件,件设,计,计电,路,路（74,、,、54系,列,列）,编码,器,器（74LS148）,译码,器,器（74LS154）,比较,器,器（74LS85,）,）,计数,器,器（74LS193）,移位,寄,寄存,器,器（74LS194）,脉冲,与,与数,字,字电,路,路课,程,程的,回,回顾,设计,方,方法,的,的局,限,限,卡诺,图,图只,适,适用,于,于输,入,入比,较,较少,的,的函,数,数的,化,化简,。,。,采用,“,“搭,积,积木,”,”的,方,方法,的,的方,法,法进,行,行设,计,计。,必,必须,熟,熟悉,各,各种,中,中小,规,规模,芯,芯片,的,的使,用,用方,法,法，,从,从中,挑,挑选,最,最合,适,适的,器,器件,，,，缺,乏,乏灵,活,活性,。,。,设计,系,系统,所,所需,要,要的,芯,芯片,种,种类,多,多，,且,且数,量,量很,大,大。,脉冲,与,与数,字,字电,路,路课,程,程的,回,回顾,采用,中,中小,规,规模,器,器件,的,的局,限,限,电路,板,板面,积,积很,大,大，,芯,芯片,数,数量,很,很多,，,，功,耗,耗很,大,大，,可,可靠,性,性低,提,提高,芯,芯片,的,的集,成,成度,设计,比,比较,困,困难,能,能方,便,便地,发,发现,设,设计,错,错误,电路,修,修改,很,很麻,烦,烦,提,供,供方,便,便的,修,修改,手,手段,PLD器,件,件的,出,出现,改,改变,了,了这,一,一切,PLD出,现,现的,背,背景,电路,集,集成,度,度不,断,断提,高,高,SSI,MSI,LSI,VLSI,计,算,算,机,机,技,技,术,术,的,的,发,发,展,展,使,使EDA,技,技,术,术,得,得,到,到,广,广,泛,泛,应,应,用,用,设,计,计,方,方,法,法,的,的,发,发,展,展,自,下,下,而,而,上,上,自,自,上,上,而,而,下,下,用,户,户,需,需,要,要,设,设,计,计,自,自,己,己,需,需,要,要,的,的,专,专,用,用,电,电,路,路,专,用,用,集,集,成,成,电,电,路,路,（,（ASIC,ApplicationSpecificIntegratedCircuits,）,）,开,开,发,发,周,周,期,期,长,长,，,，,投,投,入,入,大,大,，,，,风,风,险,险,大,大,可,编,编,程,程,器,器,件,件PLD,：,：,开,开,发,发,周,周,期,期,短,短,，,，,投,投,入,入,小,小,，,，,风,风,险,险,小,小,PLD,器,器,件,件,的,的,优,优,点,点,集,成,成,度,度,高,高,，,，,可,可,以,以,替,替,代,代,多,多,至,至,几,几,千,千,块,块,通,通,用,用IC,芯,芯,片,片,极,大,大,减,减,小,小,电,电,路,路,的,的,面,面,积,积,，,，,降,降,低,低,功,功,耗,耗,，,，,提,提,高,高,可,可,靠,靠,性,性,具,有,有,完,完,善,善,先,先,进,进,的,的,开,开,发,发,工,工,具,具,提,供,供,语,语,言,言,、,、,图,图,形,形,等,等,设,设,计,计,方,方,法,法,，,，,十,十,分,分,灵,灵,活,活,通,过,过,仿,仿,真,真,工,工,具,具,来,来,验,验,证,证,设,设,计,计,的,的,正,正,确,确,性,性,可,以,以,反,反,复,复,地,地,擦,擦,除,除,、,、,编,编,程,程,，,，,方,方,便,便,设,设,计,计,的,的,修,修,改,改,和,和,升,升,级,级,灵,活,活,地,地,定,定,义,义,管,管,脚,脚,功,功,能,能,，,，,减,减,轻,轻,设,设,计,计,工,工,作,作,量,量,，,，,缩,缩,短,短,系,系,统,统,开,开,发,发,时,时,间,间,保,密,密,性,性,好,好,管,脚,脚,数,数,目,目,：,：,208,个,个,电,源,源,：,：,3.3V,（,（I/O,）,）,2.5V,（,（,内,内,核,核,）,）,速,度,度,250MHz,内,部,部,资,资,源,源,4992,个,个,逻,逻,辑,辑,单,单,元,元,10,万,万,个,个,逻,逻,辑,辑,门,门,49152bit,的,的RAM,PLD,的,的,发,发,展,展,趋,趋,势,势,向,高,高,集,集,成,成,度,度,、,、,高,高,速,速,度,度,方,方,向,向,进,进,一,一,步,步,发,发,展,展,最高,集,集成,度,度已,达,达到400万,门,门,向低,电,电压,和,和低,功,功耗,方,方向,发,发展,，,，5V,3.3V2.5V,1.8V,更,更低,内嵌,多,多种,功,功能,模,模块,RAM，ROM，FIFO,，,，DSP,，,，CPU,向数,、,、模,混,混合,可,可编,程,程方,向,向发,展,展,大的PLD生,产,产厂,家,家,PLD器,件,件的,分,分类,按,按集,成,成度,低密,度,度,PROM,EPROM,EEPROM,PAL,PLA,GAL,只能,完,完成,较,较小,规,规模,的,的逻,辑,辑电,路,路,高密,度,度，,已,已经,有,有超,过,过400,万,万门,的,的器,件,件,EPLD,CPLD,FPGA,可用,于,于设,计,计大,规,规模,的,的数,字,字系,统,统集成,度,度高,，,，甚,至,至可,以,以做,到,到SOC,（,（SystemOnaChip）,PLD器,件,件的,分,分类,按,按结,构,构特,点,点,基于,与,与或,阵,阵列,结,结构,的,的器,件,件,阵,列,列型,PROM,，,，EEPROM，PAL，GAL，CPLD,CPLD,的,的代,表,表芯,片,片如,：,：Altera的MAX系,列,列,基于,门,门阵,列,列结,构,构的,器,器件,单,单元,型,型,FPGA,PLD器,件,件的,分,分类,按,按编,程,程工,艺,艺,熔丝,或,或反,熔,熔丝,编,编程,器,器件,Actel的FPGA,器,器件,体积,小,小，,集,集成,度,度高,，,，速,度,度高,，,，易,加,加密,，,，抗,干,干扰,，,，耐,高,高温,只能,一,一次,编,编程,，,，在,设,设计,初,初期,阶,阶段,不,不灵,活,活,SRAM,大,大多,数,数公,司,司的FPGA,器,器件,可反,复,复编,程,程，,实,实现,系,系统,功,功能,的,的动,态,态重,构,构,每次,上,上电,需,需重,新,新下,载,载，,实,实际,应,应用,时,时需,外,外挂EEPROM,用,用于,保,保存,程,程序,EEPROM,大,大多,数,数CPLD器,件,件,可反,复,复编,程,程,不用,每,每次,上,上电,重,重新,下,下载,，,，但,相,相对,速,速度,慢,慢，,功,功耗,较,较大,数字,电,电路,的,的基,本,本组,成,成,任何,组,组合,电,电路,都,都可,表,表示,为,为其,所,所有,输,输入,信,信号,的,的最,小,小项,的,的和,或,或者,最,最大,项,项的,积,积的,形,形式,。,。,时序,电,电路,包,包含,可,可记,忆,忆器,件,件（,触,触发,器,器）,，,，其,反,反馈,信,信号,和,和输,入,入信,号,号通,过,过逻,辑,辑关,系,系再,决,决定,输,输出,信,信号,。,。,PLD的,逻,逻辑,符,符号,表,表示,方,方法,与门,乘积,项,项,PROM,结,结构,与阵,列,列为,全,全译,码,码阵,列,列，,器,器件,的,的规,模,模将,随,随着,输,输入,信,信号,数,数量n的,增,增加,成,成2,n,指数,级,级增,长,长。,因,因此PROM,一,一般,只,只用,于,于数,据,据存,储,储器,，,，不,适,适于,实,实现,逻,逻辑,函,函数,。,。,EPROM和EEPROM,用PROM实,现,现组,合,合逻,辑,辑电,路,路功,能,能,实现,的,的函,数,数为,：,：,固定,连,连接,点,点,（与,）,）,编程,连,连接,点,点,（或,）,）,PLA结,构,构,PLA的,内,内部结构,在,在简单PLD中有,最,最高的灵,活,活性。,PAL结,构,构,与阵列可,编,编程使输,入,入项增多,，,，或阵列,固,固定使器,件,件简化。,或阵列固,定,定明显影,响,响了器件,编,编程的灵,活,活性,A,n,B,n,C,n,A,n,B,n,C,n,A,n,B,n,C,n,A,n,B,n,C,n,A,n,B,n,A,n,C,n,B,n,C,n,用PAL,实,实现全加,器,器,GAL结,构,构,GAL器,件,件与PAL器件的,区,区别在于,用,用可编程,的,的输出逻,辑,辑宏单元,（,（OLMC）代替,固,固定的或,阵,阵列。可,以,以实现时,序,序电路。,逻辑宏单,元,元,OLMC,GAL器,件,件的OLMCOutput LogicMacro Cell,每个OLMC包含,或,或阵列中,的,的一个或,门,门,组成：,异或门：,控,控制输出,信,信号的极,性,性,D触发器,：,：适合设,计,计时序电,路,路,4个多路,选,选择器,输出使能,选,选择,反馈信号,选,选择,或门控制,选,选择,输出选择,CPLD,内,内部结构,（,（Altera的MAX7000S,系,系列）,逻辑阵列,模,模块,I/O单,元,元,连线资源,逻辑阵列,模,模块中包,含,含多个宏,单,单元,宏单元内,部,部结构,乘积项逻,辑,辑阵列,乘积项选,择,择矩阵,可编程,触发器,可编程的I/O单,元,元,能兼容TTL和CMOS多,种,种接口和,电,电压标准,可配置为,输,输入、输,出,出、双向,、,、集电极,开,开路和三,态,态等形式,能提供适,当,当的驱动,电,电流,降低功耗,，,，防止过,冲,冲和减少,电,电源噪声,支持多种,接,接口电压,（,（降低功,耗,耗）,1.20.5um,5V,0.35um,3.3V,0.25um,internal2.5V,I/O3.3V,0.18um,internal1.8V,I/O2.5Vand3.3V,可编程连,线,线阵列,在各个逻,辑,辑宏单元,之,之间以及,逻,逻辑宏单,元,元与I/O单元之,间,间提供信,号,号连接的,网,网络,CPLD,中,中一般采,用,用固定长,度,度的线段,来,来进行连,接,接，因此,信,信号传输,的,的延时是,固,固定的，,使,使得时间,性,性能容易,预,预测。,FPGA,结,结构原理,图,图,内部结构,称,称为LCA（LogicCellArray）由,三,三个部分,组,组成：,可编程逻,辑,辑块（CLB）,可编程输,入,入输出模,块,块（IOB）,可编程内,部,部连线（PIC）,IOB,CLB包,含,含多个逻,辑,辑单元,PIC,LE内部,结,结构,查找表的,基,基本原理,实际逻辑电路,LUT的实现方式,a,b,c,d 输入,逻辑输出,地址,RAM中,存储的内容,0000,0,0000,0,0001,0,0001,0,.,0,.,0,1111,1,1111,1,N个输入,的,的逻辑函,数,数需要2,的,的N次方,的,的容量的SRAM,来,来实现，,一,一般多个,输,输入的查,找,找表采用,多,多个逻辑,块,块级连的方式,查找表的,基,基本原理,N个输入,的,的逻辑函,数,数需要2,的,的N次方,的,的容量的SRAM,来,来实现，,一,一般多于,输,输入的查,找,找表采用,多,多个逻辑,块,块级连的方式,FPGA,中,中的嵌入,式,式阵列（EAB）,可灵活配,置,置的RAM块,用途,实现比较,复,复杂的函,数,数的查找,表,表，如正,弦,弦、余弦,等,等。,可实现多,种,种存储器,功,功能，如RAM，ROM，,双,双口RAM，FIFO，Stack,等,等,灵活配置,方,方法：2568,，,，也可配,成,成512,4,内部晶体,震,震荡器,高速反向,放,放大器用,于,于和外部,晶,晶体相接,，,，形成内,部,部晶体振,荡,荡器。,提供将振,荡,荡波形二,分,分频成对,称,称方波的,功,功能。,CPLD,与,与FPGA的区别,CPLD,FPGA,内部结构,Productterm,Lookup Table,程序存储,内部EEPROM,SRAM，外挂EEPROM,资源类型,组合电路资源丰富,触发器资源丰富,集成度,低,高,使用场合,完成控制逻辑,能完成比较复杂的算法,速度,慢,快,其他资源,EAB，锁相环,保密性,可加密,一般不能保密,FPGA,与,与CPLD的区别,FPGA,采,采用SRAM进行,功,功能配置,，,，可重复,编,编程，但,系,系统掉电,后,后，SRAM中的,数,数据丢失,。,。因此，,需,需在FPGA外加EPROM，将配,置,置数据写,入,入其中，,系,系统每次,上,上电自动,将,将数据引,入,入SRAM中。CPLD器,件,件一般采,用,用EEPROM存,储,储技术，,可,可重复编,程,程，并且,系,系统掉电,后,后，EEPROM,中,中的数据,不,不会丢失,，,，适于数,据,据的保密,。,。,FPGA,与,与CPLD的区别,FPGA,器,器件含有,丰,丰富的触,发,发器资源,，,，易于实,现,现时序逻,辑,辑，如果,要,要求实现,较,较复杂的,组,组合电路,则,则需要几,个,个CLB,结,结合起来,实,实现。CPLD的,与,与或阵列,结,结构，使,其,其适于实,现,现大规模,的,的组合功,能,能，但触,发,发器资源,相,相对较少,。,。,FPGA,与,与CPLD的区别,FPGA,为,为细粒度,结,结构，CPLD为,粗,粗粒度结,构,构。FPGA内部有,丰,丰富连线,资,资源，CLB分块,较,较小，芯,片,片的利用,率,率较高。CPLD,的,的宏单元,的,的与或阵,列,列较大，,通,通常不能,完,完全被应,用,用，且宏,单,单元之间,主,主要通过,高,高速数据,通,通道连接,，,，其容量,有,有限，限,制,制了器件,的,的灵活布,线,线，因此CPLD,利,利用率较FPGA,器,器件低。,FPGA,与,与CPLD的区别,FPGA,为,为非连续,式,式布线，CPLD,为,为连续式,布,布线。FPGA,器,器件在每,次,次编程时,实,实现的逻,辑,辑功能一,样,样，但走的路线,不,不同，因此延时不易,控,控制，要求开,发,发软件允,许,许工程师,对,对关键的,路,路线给予,限,限制。CPLD每,次,次布线路,径,径一样，CPLD,的,的连续式,互,互连结构,利,利用具有,同,同样长度,的,的一些金,属,属线实现,逻,逻辑单元,之,之间的互,连,连。连续式互,连,连结构消除了分,段,段式互连,结,结构在定,时,时上的差,异,异，并在,逻,逻辑单元,之,之间提供,快,快速且具,有,有固定延,时,时的通路,。,。CPLD的延时,较,较小。,PLD器,件,件的命名,与,与选型,EPM7128SLC84,10,EPM7,：,：产品系,列,列为EPM7000系列,128：,有,有128,个,个逻辑宏,单,单元,S：电压,为,为5V，AE为3.3V，B为2.5V,L：封装,为,为PLCC，Q代,表,表PQFP等,C：商业,级,级（Commercial,）,）070度，,I：工业,级,级（Industry），,4085度,M：军品,级,级（Military），,55125度,84：管,脚,脚数目,10：速,度,度级别,管脚的定,义,义,特殊功能,的,的管脚,电源脚VCC和GND，VCC一般,分,分为VCCINT,和,和VCCIO两种,JTAG,管,管脚：实,现,现在线编,程,程和边界,扫,扫描,配置管脚,（,（FPGA）：用,于,于由EEPROM,配,配置芯片,信号管脚,专用输入,管,管脚：全,局,局时钟、,复,复位、置,位,位,可随意配,置,置其功能,为,为：输入,、,、输出、,双,双向、三,态,态,PLD的,设,设计步骤,设计输入,原理图输,入,入,使用元件,符,符号和连,线,线等描述,比较直观,，,，但设计,大,大规模的,数,数字系统,时,时则显得,繁,繁琐,HDL语,言,言输入,逻辑描述,功,功能强,成为国际,标,标准，便,于,于移植,原理图与HDL的,联,联系与高,级,级语言与,汇,汇编语言,类,类似,设计处理,综合和优,化,化,优化：将,逻,逻辑化简,，,，去除冗,余,余项，减,少,少设计所,耗,耗用的资,源,源,综合：将,模,模块化层,次,次化设计,的,的多个文,件,件合并为,一,一个网表,，,，使设计,层,层次平面,化,化,映射,把设计分,为,为多个适,合,合特定器,件,件内部逻,辑,辑资源实,现,现的逻辑,小,小块的形,式,式,布局与布线,将已分割的,逻,逻辑小块放,到,到器件内部,逻,逻辑资源的,具,具体位置并,利,利用布线资,源,源完成各功,能,能块之间的,连,连接,生成编程文,件,件,生成可供器,件,件编程使用,的,的数据文件,模拟仿真,功能仿真,不考虑信号,传,传输和器件,的,的延时,时序仿真,不同器件的,内,内部延时不,一,一样，不同,的,的布局、布,线,线延时也会,有,有比较大的,不,不同,在线验证,利用实现手,段,段测试器件,最,最终功能和,性,性能指标,在系统编程,技,技术ISP,InSystem Program,对PLD的,逻,逻辑功能可,随,随时进行修,改,改。由Lattice,公,公司率先发,明,明,优点：,方便硬件的,调,调试,方便硬件版,本,本的升级，,类,类似于软件,升,升级,在系统编程,技,技术ISP,InSystem Program,边界扫描测,试,试技术BSTBoundary Scan Test,据IEEE1149.1标准JTAG，用于,解,解决大规模,集,集成电路的,测,测试问题。,现在新开发,的,的可编程器,件,件都支持边,界,界扫描技术,，,，并将其作,为,为,ISP,接口。,在,DSP,开发和嵌入,式,式处理器的,开,开发中应用,得,得非常广泛,。,。,