第2章 FPGA与CPLD的结构原理

FPGA与CPLD的结构原理FPGA结构原理：FPGA是一种可重构器件，它由大量的可编程逻辑单元（Logic Element，LE）组成，每个LE都包含查找表（Look-Up Table，LUT）、寄存器以及可编程连接资源。

FPGA的结构原理可以分为三个关键组件：查找表、可编程连接资源和I/O资源。

1.查找表：FPGA中的查找表是其最基本的单元，通常由4-6个输入信号和1个或多个输出信号组成。

查找表中包含一个存储器单元和一组可编程拨码开关。

存储器单元中存储了一组真值表，根据输入信号的组合来选择对应的输出信号。

这种基于查找表的逻辑实现既灵活又高效。

2.可编程连接资源：FPGA中的连接资源是一个非常重要的部分，它可以实现片上资源之间的任意连接。

通常，FPGA中的连接资源采用可编程互连点（Programmable Interconnect Point，PIP）的方式实现。

每个PIP可以通过可编程电路来控制是否对其中一对逻辑单元进行连接。

3.I/O资源：FPGA的I/O资源用于与外部世界进行交互。

每个I/O资源通常包含输入/输出引脚、输入/输出缓冲器以及可编程的电平转换电路。

通过对I/O资源的编程，可以根据实际需求来设置引脚的输入/输出电平以及输出驱动能力。

CPLD结构原理：CPLD是一种较小规模的可编程逻辑器件，它通常由若干个宏单元（Macrocell）组成，每个宏单元都包含与FPGA相似的逻辑资源和可编程连接资源。

CPLD的结构原理可以分为三个关键组件：宏单元、可编程连接资源和I/O资源。

1.宏单元：宏单元是CPLD的核心单元，通常由多个查找表、寄存器和触发器组成。

宏单元中的查找表用于实现逻辑功能，寄存器用于存储中间结果或控制信号，触发器用于实现时序逻辑。

一个CPLD可以包含多个宏单元，各个宏单元可以通过可编程连接资源相互连接。

2.可编程连接资源：CPLD中的可编程连接资源通常采用矩阵交叉开关（Crosspoint Switch）的方式实现。

请说明cpld和fpga的可编程原理CPLD（Complex Programmable Logic Device）和FPGA（Field-Programmable Gate Array）是两种可编程逻辑器件，它们都可以通过编程来实现特定的逻辑功能。

下面是它们的可编程原理的说明：CPLD的可编程原理：1. CPLD由一系列可编程逻辑单元（PLU）组成，每个PLU可以执行逻辑运算和存储数据。

2. CPLD中还包含了一些可编程的片内连接资源，用于将不同PLU之间以及PLU 与外部引脚之间的信号连接起来。

3. 在对CPLD进行编程时，用户可以通过使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）描述所需的逻辑功能，并将这些描述转化为CPLD可识别的位文件。

4. 将编程完成的位文件加载到CPLD中后，CPLD会根据其中的逻辑描述配置PLU的功能，以及完成内部和外部信号的连接，从而实现所需的逻辑功能。

FPGA的可编程原理：1. FPGA由大量的可编程逻辑元件（LE）和可编程互连资源（IC）组成，LE是FPGA中最基本的逻辑单元，而IC是用于连接LE的片内资源。

2. FPGA中的LE可以通过编程来实现各种逻辑运算和存储数据的功能。

3. IC提供了灵活的直接互连结构，可以将不同的LE以及LE与外部引脚之间的信号互连起来，从而形成所需的逻辑功能。

4. 在对FPGA进行编程时，用户同样可以使用硬件描述语言来描述逻辑功能，并将其转化为可以被FPGA识别的位文件。

5. 加载位文件后，FPGA会根据其中的逻辑描述初始化LE的功能以及互连资源的连接方式，从而实现所需的逻辑功能。

总的来说，CPLD和FPGA都是可编程的逻辑器件，其可编程原理都是通过将逻辑描述转化为相应的位文件，再将位文件加载到器件中，通过配置器或控制逻辑来执行相应的功能。

区别在于CPLD主要由可编程逻辑单元组成，适用于实现较小规模的逻辑功能，而FPGA则由大量的可编程逻辑元件和互连资源组成，适用于实现较复杂的逻辑功能。

第1章 EDA技术概述1. EDA：EDA(Electronic Design Automation)电子设计自动化，EDA技术依赖于强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以HDL(Hardware Description Language--硬件描述语言)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动完成逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线)，以及逻辑优化和仿真测试等项功能，直至实现既定性能的电子线路系统功能。

2. EDA的设计输入有：图形输入方式：原理图输入，状态图输入；HDL文本输入：VHDL，Verilog3. 常用缩写FPGA(Field Programable Gate Araay)CPLD(Complex Programmable Logic Device)ASIC(Application Specific Interated Circuit)SOC(System on a Chip)SOPC(System-on-a-Programmable-Chip)HDL(Hardware Description Language)IP(Intellectual Property)CAD(Computer Aided Design)CAM(Computer Aided Manufacturing)CAT(Computer Aided Test)CAE(Computer Aided Engineering)CAA(Computer Aided Analysis)4．综合(Synthesis)：将用行为和功能层次表达的系统转换成低层次的便于具体实现的模块组合装配过程。

整个综合过程就是将设计者在EDA平台上编辑输入的HDL文本、原理图或状态图形描述，依据给定的硬件结构组件和约束控制条件进行编译、优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更底层的电路描述网表文件。

5．适配：适配器也称结构综合器，它的功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中，使之产生最终的下载文件，如JEDEC、Jam格式的文件。

CPLD(complex programable logic device)复杂可编程逻辑器件FPGA（field programable gate array)现场可编程门阵列FPGA和CPLD的逻辑单元本身的结构与SPLD相似，即与阵列和可配置的输出宏单元组成。

FPGA逻辑单元是小单元，每个单元只有1-2个触发器，其输入变量通常只有几个因而采用查找表结构（PROM形式）这样的工艺结构占用的芯片面积小，速度高（通常只有1-2纳秒），每个芯片上能集成的单元数多，但逻辑单元功能弱。

如果想实现一个较复杂的功能，需要几个这样的单元组合才能完成（总延时是各个单元延时和互连延时的和），互连关系复杂。

CPLD中的逻辑单元是单元，通常其变量数约20-28个。

因为变量多，所以只能采用PAL结构。

由于这样的单元功能强大，一般的逻辑在单元内均可实现，因而其互连关系简单，一般通过集总总线既可实现。

电路的延时通常就是单元本身和集总总线的延时（通常在数纳秒至十几纳秒），但是同样集成规模的芯片中的触发器的数量少得多。

从上面分析可知道：小单元的FPGA较适合数据型系统，这种系统所需要的触发器数多，但是逻辑相对简单；大单元的CPLD较适合逻辑型系统，如控制器等，这种系统逻辑复杂，输入变量多，但触发器需求量相对较少。

反熔丝工艺只能一次性编程，EPROM EEPROM 和FLASH工艺可以反复的编程，但是他们一经编程片内逻辑就被固定。

他们都是只读型（ROM）编程，这类编程不仅可靠性较高还可以加密。

XILINX公司的FPGA芯片采用RAM型编程，相同集成规模的芯片中的触发器数目较多，功耗低，但是掉电后信息不能保存，必须与存储器联用。

每次上电时必须先对芯片配置，然后才能使用，这似乎是RAM型PLD的缺点，但是ROM型PLD中的编程信息在使用时是不能变化的，RAM型PLD却可以在工作时更换内容，实现不同的逻辑。

CPLD和FPGA的结构，性能对照：CPLD FPGA PROM集成规模：小（最大数万门）大（最高达百万门）单元粒度：大（PAL结构）小（PROM结构）互连方式：集总总线分段总线长线专用互连编程工艺：EPROM EEPROM FLASH SRAM编程类型：ROM RAM型须与存储器联用信息：固定可实时重构触发器数：少多单元功能：强弱速度：高低222222222222222222222222222222222222延迟：确定，可以预测不能确定不能预测功耗：高低加密性能：可加密不能加密适用场合：逻辑型系统数据型系统LCA（LOGIC CELL ARRAY）逻辑单元阵列CLB（CONFIGURABLE LOGIC BLOCK）可配置逻辑模块IOB（INPUT OUTOUT BLOCK）输入输出块Spartan-xl系列FPGA的主要特性SPARTAN-XL系列的FPGA具有低压，低功耗的特点。

CPLD/FPGA 结构与原理/advance/structures/lut.htm一.基于乘积项（Product-Term)的PLD结构采用这种结构的PLD芯片有：Altera的MAX7000，MAX3000系列（EEPROM工艺）,Xilinx的XC9500系列（Flash工艺）和Lattice,Cypress的大部分产品（EEPROM工艺）我们先看一下这种PLD的总体结构（以MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似）：图1 基于乘积项的PLD内部结构这种PLD可分为三块结构：宏单元（Marocell)，可编程连线（PIA)和I/O控制块。

宏单元是PLD的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。

图1中蓝色部分是多个宏单元的集合（因为宏单元较多，没有一一画出）。

可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。

I/O控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。

图1 左上的INPUT/GCLK1，INPUT/GCLRn,INPUT/OE1,INPUT/OE2 是全局时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专用连线与PLD中每个宏单元相连，信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。

宏单元的具体结构见下图：图2 宏单元结构左侧是乘积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可编程熔丝，如果导通就是实现“与”逻辑。

后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。

两者一起完成组合逻辑。

图右侧是一个可编程D触发器，它的时钟，清零输入都可以编程选择，可以使用专用的全局清零和全局时钟，也可以使用内部逻辑（乘积项阵列）产生的时钟和清零。

如果不需要触发器，也可以将此触发器旁路，信号直接输给PIA或输出到I/O脚。

二.乘积项结构PLD的逻辑实现原理下面我们以一个简单的电路为例,具体说明PLD是如何利用以上结构实现逻辑的，电路如下图：图3假设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f，则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D + B*C*!D ( 我们以!D表示D的“非”）PLD将以下面的方式来实现组合逻辑f:图4A,B,C,D由PLD芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列（PIA)，在内部会产生A,A反,B,B反,C,C反,D,D反8个输出。

eda技术及应用第三版课后答案谭会生【篇一：《eda技术》课程大纲】>一、课程概述1.课程描述《eda技术》是通信工程专业的一门重要的集中实践课，是通信工程专业学生所必须具备的现代电子设计技术技能知识。

eda是电子技术的发展方向，也是电子技术教学中必不可少的内容。

本课程主要介绍可编程逻辑器件在电子电路设计及实现上的应用，介绍电路原理图和pcb图的设计技术。

开设该课程，就是要让学生了解大规模专用集成电路fpga和cpld的结构，熟悉一种以上的硬件描述语言，掌握一种以上的开发工具的使用等，掌握电路原理图和pcb图的现代设计技术与方法，从而提高学生应用计算机对电子电路和高速智能化系统进行分析与设计的能力。

2.设计思路本课程坚持“以学生为中心”的原则，以项目任务驱动的方式，采取理论知识与案例相结合的方式授课，提高学生的学习主动性。

通过必要的理论知识讲授、大量的实践训练和案例分析，培养学生的动手设计和实践能力，掌握eda开发的整个流程和基本技巧。

课程采用演示讲授和实践相结合，边讲边练的方法，让学生切身体会并掌握eda开发产品的流程和方法。

本课程集中2周时间开设，注重实践性，边讲边练，让学生切身体会并掌握eda开发技术。

3.实践要求（1）纪律和安全要求①不得将食物带入实验室，每次实训后请将使用后的废弃物带走。

违反者每次扣罚平时分2分。

②实训期间不得做与实训无关的其他事情，不得大声喧哗或做其他影响实训正常进行的事宜。

违反者每次扣罚平时分2分。

③实训期间，若学生有事不能正常参加实训，须提前以书面形式请假，并按指导教师的安排补做实训。

未经指导教师许可，学生不得任意调换实训时间和实训地点。

违反者每次扣罚平时分4分。

④学生不得以任何理由替代他人进行实训，违者直接取消实训成绩。

⑤学生除操作自己所分配的计算机外，不得操作实验室内其他任何设备。

违者每次扣罚平时分2分。

（2）业务要求实训所使用的软件protel和quartus ii，所有数据均通过服务器中转以及储存在服务器上，所以重启自己所用的电脑不会造成数据丢失。