第一章_可编程器件Introduction

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可编程器件基础

由于通用逻辑器件和专用逻辑器件的使用范围有限，20世 纪70年代以后陆续出现了用户可在现场更改其内容(功能) 的可编程逻辑器件，如EPROM，FPLA，PAL，GAL， FPGA等一类可编程逻辑器件，通称为PLD器件。它们规 整通用，适合采用高集成度技术，因此，在数字系统中得 到了迅速的应用。
{
. .
输 入 缓 冲
与 阵 列
或 阵 列
输 出 缓 冲
. .
}
数 据 输 出
PLD的基本框图
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可编程器件基础
一．PLD的基本结构
组成 输入功能 与阵列 或阵列 输入缓冲器 与门阵列 或门阵列 功能 产生输入变量的原变量和反变量 产生输入变量的与项(乘积项) 将与阵列 输出的 乘积项 有选 择的进 行或运算,形成与或式,实现函数 产生输出信号,提供反馈信号
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FPGA 结构
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FPGA 结构
可编程输入输出单元（IOB） 芯片与外界电路的接口部分，完成 不同电气特性对输入输出信号的驱 动与匹配要求。 FPGA内的IO 按组分类，每组都能 够独立支持不同的IO标准。通过软 件的灵活配置，可适配不同的电器 标准与IO物理特性，可以调整驱动 电流的大小，可以改变上，下拉电 阻。
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可编程器件的发展
80年代中期的PLD
通用阵列逻辑(GAL)器件问世，并取代了PAL。GAL器件 是在PAL器件基础上发展起来的新一代器件。和PAL一样，它 的与门阵列是可编程的，或门阵列是固定的。但由于采用了高 速电可擦CMOS工艺，可以反复擦除和改写，很适宜于样机的 研制。
80年代后期, 90年代的PLD



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Course Information
课程资源：
/sseweb/Login.aspx
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考试评分 (Grading)
平时成绩 + 实验项目成绩：60% 期末考试： 40%
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What is this course all about ?
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Slice 结构
LUT: 查找表 Carry：进位逻辑
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Slice Structure– An Example
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FPGA结构
丰富的布线资源 （ Interconnect ） Flexible interconnect routing routes the signals between CLBs and to/from I/Os. Routing comes in several flavors, from that designed to interconnect between CLBs to fast horizontal and vertical long lines spanning the device to global lowskew routing for Clocking and other global signals. The design software makes the interconnect routing task hidden to the user unless specified otherwise, thus significantly reducing design complexity.

可以统一通过软件配置与编程来完成特定的功能，可以重 复擦写。
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可编程器件基础
低密度的PLD器件的基本框图如图所示，它由输入缓冲、 与阵列、或阵列、输出缓冲等四部分功能电路组成。根据与门 阵列、或门阵列和输出结构的不同，低密度的PLD可分为四种 基本类型：PROM，FPLA，PAL，GAL。 数 据 输 入
四输入与门查找表
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FPGA工作原理
基于LUT的FPGA具有很高的集成度，器件密度从数万门到 数千万门，可以完成极其复杂的时序与组合电路功能，适用 于高速、高密度的数字系统设计。 FPGA由存放在片内的RAM来设置其工作状态，因此工作时 需要对片内RAM进行编程。用户可根据不同的配置模式，采 用不同的编程方式。Altera 和Xilinx公司的FPGA一般是基于 并行模式：一片EPROM配置一片FPGA。
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PLD的分类及特点
PROM----可编程存储器
P L D
PLA----可编程逻辑阵列 PAL----可编程阵列逻辑 GAL----通用可编程阵列逻辑 CPLD----复杂可编程逻辑器件 FPGA----现场可编程门阵列 ispLSI----在系统可编程大规模集成电路
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PLD的分类及特点
只读存储器(ROM)有掩模式ROM，PROM，EPROM， E2PROM，FLASH等形式，是非易失性存储器。这类存储器 可靠性高，一般用来存放固定的程序或数据。 现场可编程逻辑阵列(FPLA)的与阵列和或阵列均可编程, 可以实现组合逻辑和时序逻辑。 可编程阵列逻辑(PAL)的结构和FPLA相似，也由与阵列及 或阵列两部分组成，其中与阵列可编程，或阵列固定。 通用阵列逻辑(GAL)是80年代中期在PAL的基础上发展起 来的器件，GAL器件是一种电擦除的可编程器件，特别适合于 研制开发阶段使用。
可编程器件应用
袁宇丹 明德楼306 0512-68839306 ydyuan@ 吴桂兴 明德楼307 0512-68839307 gxwu@
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Course Material

《Digital Design and Computer Architecture》, David Money Harris and Sarah L. Harris, 机械工业出版社 《数字设计和计算机体系结构》，何虎等译，机械工业出 版社 《Xilinx FPGA/CPLD 设计手册》，王杰等著，人民邮电出 版社 《无线通信FPGA设计》，田耘等著，电子工业出版社 Lecture Notes
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可编程器件基础
二．PLD的有关逻辑约定
4．或门 A B C
表达式为:
.. .
D
D=A+B+C
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可编程器件基础
_ _ AABB D
简 化 表 示
表达式为：
_ _ AABB D _ _
D=AABB=0
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可编程器件基础
A B O1 O2 O3
O
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可编程器件的发展
70年代初期的PLD 主要是可编程只读存储器(PROM)和可编程逻辑阵列 (PLA)。在PROM中，与门阵列是固定的，或门阵列是可编 程的；器件采用熔断丝工艺，一次性编程使用。 70年代末期的PLD 出现了可编程阵列逻辑(PAL)器件。在PAL器件中与门 阵列是可编程的，或门阵列是固定连接的，它有多种输出 和反馈结构，为数字逻辑设计带来了一定的灵活性。但 PAL仍采用熔断丝工艺，一次性编程使用。
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FPGA 结构
可配置逻辑块（CLB）
The Configurable Logic Blocks (CLBs) are the main logic resources for implementing sequential as well as combinatorial circuits.
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PLD的分类及特点
复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列 (FPGA)是90年代发展起来的一种可编程的大规模集成器 件，它既有门阵列的结构和性能，又具有现场可编程的特 点，而且可以反复地擦除和重新编程，适用于ASIC的研 制。FPGA的体系结构核心是可重构的逻辑块。
PLD器件自20世纪70年代发明以来，从熔丝型到光 擦除型；到80年代又发展成为电擦除型；到90年代则进 一步发展成为在系统编程型。
输出功能
三态门 寄存器
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可编程器件基础
二．PLD的有关逻辑约定
1．连接
硬线连接
பைடு நூலகம்
接通连接
断开连接
.
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可编程器件基础
二．PLD的有关逻辑约定
2．缓冲器
C=A
{
输 入
{
A
B=A
＿
输 出
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可编程器件基础
二．PLD的有关逻辑约定
3．与门
传统表示法
PLD的表示法
A B C
A B C
D
D
表达式为:
D=ABC

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可编程器件基础
Reading: 《Xilinx FPGA/CPLD 设计手册》Chapter 1
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可编程器件基础
从逻辑器件的功能和使用方法看，逻辑器件分为： 通用逻辑器件的功能是器件厂制造时定死的，用户只能拿 来使用而不能改变其内部功能。通用逻辑器件有门、触发 器、多路开关、加法器、寄存器、计数器、译码器等逻辑 器件和随机读写存储器件。 专用逻辑器件是完全按用户要求设计的VLSI器件。它对用 户来讲是优化的，但是设计周期长，设计费用高，通用性 低。一般也称为专用集成电路(ASIC)，但是它也向通用方 向发展。
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门海结构
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(a) FPGA
(b) CPLD
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FPGA 简介
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ASIC VS FPGA
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ASIC VS FPGA
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FPGA工作原理
FPGA采用一种基于查找表(Look-Up-Table)的结构, LUT 本质上是一种RAM, 当用户通过原理图或者HDL语言描述 了一个逻辑电路以后, FPGA开发软件会自动计算逻辑电路 的所有结果, 并把真值表事先写入RAM。这样每输入一个 信号进行逻辑运算， 就等于输入一个地址进行查表，找出 地址对应的内容后输出即可。