CPLD和FPGA内部结构和原理

沈阳城市学院课程教案

第 1 次 第 1 页 课程名称：CPLD/FPGA应用 教师姓名:刘丹丹

章节名称 可编程逻辑器件基础 专业/班级 12级自动化1班

教学目的要求 了解可编程逻辑器件的发展进程，种类化分，结构特点及当前的发展水平

教学重点 CPLD/FPGA的结构特点、性能特点及其开发应用选择

教学难点 CPLD/FPGA的性能特点及其开发应用选择

课堂教学进程：

教学手段:多媒体\实验箱\软件平台\仿真

1.2 可编程逻辑器件

一、PLD器件的基本结构(30’)

基于存储器的PLD器件原理

PROM的基本结构

地址位宽度：n

数据位宽度：m

PROM可编程逻辑阵列

用PROM实现半加器 沈阳城市学院课程教案

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（PROM） PLD的问题？

 只能用于组合逻辑

 输入变量的增加，存储容量按2的幂次增加

 不适合很多输入变量的组合逻辑电路实现

 原因 ？

与阵列 不可编程；

或阵列 可编程。

 解决办法？

PLA

二、PLA的结构(30’)

PLA的问题

 需要简化的逻辑函数表达式。

 多输入输出时，简化算法复杂。

 运行速度下降。

 已经淘汰，现主要用于全定制ASIC芯片中

PLD器件I/O的使用提示

1. 可配置为：

1. 单向输入、单向输出、双向、三态等端口

2. PLD器件内部信号不能实现“高阻态”

2. 与其他器件连接时应注意电平匹配

3. 高阻输出时，不能连接过高的电平逻辑

FPGA原理：查找表

 采用查找表结构的PLD称为FPGA

如altera的ACEX,APEX系列,xilinx的Spartan,Virtex系列等。

 查找表（Look-Up-Table)简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。 沈阳城市学院课程教案

第 1 次 第 3 页  FPGA中 用 4输入的LUT

 每一个LUT 相当于 一个有4位地址线的16x1的RAM。

第2章 80C51单片机内部结构和工作原理

(习 题)

1、在下列情况EA引脚应接何种电平？

（1）只有片内ROM，EA= ；（2）只有片外ROM，EA= ；

（3）有片内、片外ROM，EA= ；（4）有片内ROM但不用，而用片外ROM，EA= 。

2、10根地址线可选 个存储单元，32KB存储单元需要 根地址线。

3、8031单片机复位后，R4所对应的存储单元的地址为 ，因上电复位时，PSW=

。这时当前的工作寄存器区是 组工作寄存器区。

4、内RAM中，位地址为30H的位，该位所在字节的字节地址为 。

5、51单片机的存储空间分为哪几部分？它们的寻址范围是多少？

6、决定程序执行顺序的寄存器是哪一个？为什么51单片机都是从程序存储器的0000H单元开始执行？

7、若8031单片机的晶振频率fosc＝12MHz，则时钟周期、状态周期、机器周期各是多少？

8、什么叫指令周期和指令字节？

9、8031的通用I/O口若作为输入口使用，要注意什么？

10、如果手中仅有一台示波器，可通过观察哪个引脚的状态，来大致判断51单片机正在工作？

CPLD/FPGA的区别

CPLD和FPGA是20世纪80年代中后期出现的，Altera公司和Xilinx公司分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD(Complex Programmable Logic

Device)和与标准阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array)，它们都具有体系结构、逻辑单元灵活、集成度高、适用范围宽、用户可编程等特点。

利用CPLD/FPGA芯片，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发上市的时间、降低了开发成本。

此外，CPLD/FPGA还具有静态可重复编程或在线动态重构特性，使硬件的功能可像软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。

CPLD和FPGA都是可编程的，二者有许多相似的地方，但二者也有显著的本质区别，二者之间的区别主要在于：

（1）CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA更适合于完成时序逻辑，例如触发器多的电路结构适合使用FPGA，而CPLD适用于触发器少而乘积项多的电路结构；

（2）CPLD的内部组成结构决定了它的时序延迟是均匀和可预测的，而FPGA的组成结构决定了它的延迟是不可预测的；

（3）在编程上FPGA比CPLD更具有灵活性,CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，而FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;

（4）CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用EEPROM或FLASH技术，掉电可以保存数据和程序,所以无需另外的外部存储器芯片来存放程序和数据，使用起来简单；而FPGA内部使用的是SDRAM，掉电后会丢失编程信息，所以需要外部存储器，使用方法复杂；

（5）在编程次数上，CPLD使用EEPROM或FLASH，编程次数可达1万次左右，而FPGA使用SDRAM编程，所以其编程次数为无限次；CPLD的优点是系统掉电编程信息不丢失；

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。