電子系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)3

第3章可編程邏輯器件的

工作原理

集成電路的分類(按制作方式)IC:IntegratedCircuit集成電路的分類(按集成度)小規(guī)模集成電路(SSI:SmallScaleIntegratedCircuit):邏輯門10個以下或晶體管100以下;中規(guī)模集成電路(MSI:Medium):邏輯門10～100個,晶體管100～1000個;

大規(guī)模集成電路(LSI:Large):邏輯門100～1000個,晶體管103～104個;

集成電路的分類(按集成度)超大規(guī)模集成電路(VLSI:VeryLarge):邏輯門103～104個,晶體管104～105個;甚大規(guī)模集成電路(ULSI:UltraLarge):邏輯門105～106個,晶體管106～107個;巨大規(guī)模集成電路(GLSI:GigaLarge):邏輯門106個以上,晶體管107個以上

。3.1概述

3.1.1可編程邏輯器件的發(fā)展早期是存儲器：只讀存儲器（PROM）紫外線可擦除只讀存儲器（EPROM）電可擦除只讀存儲器（EEPROM）

PROM編程原理其后出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些的可編程邏輯器件（PLD：ProgrammableLogicDevices）

可編程陣列邏輯PAL門（ProgrammableArrayLogic）通用陣列邏輯GAL門（GenericArrayLogic）任何一個組合邏輯都可以表示為乘積項之和的形式，例如：

f=(A+B)CD=ACD+BCD20世紀80年代中期開始出現(xiàn)

EPLD：ErasableProgrammableLogicDevice(類似于PAL門的擴展結(jié)構(gòu))1985年，美國Xilinx公司推出第一個FPGA芯片

FieldProgrammableGateArray目前最主要的可編程邏輯器件有：FPGA：現(xiàn)場可編程門陣列

FieldProgrammableGateArrayCPLD：復(fù)雜的可編程邏輯器件

ComplexProgrammableLogicDevice組合邏輯實現(xiàn)方法PT-based:

基于乘積項

ProductTerm-basedBuildingBlockLUT-based:

基于查找表

Look-upTable-basedBuildingBlock基于乘積項基于查找表FPGA查找表單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場可編程性所謂現(xiàn)場可編程性就是指用戶任何時候都可以通過電路板上的下載電纜或硬件編程器來修改FPGA/CPLD的配置，以達到修改自己設(shè)計的目的。

FPGA/CPLD設(shè)計的一般流程軟件中的功能合并

全定制IC基于單元的IC基于門陣列的IC高密度的PLD速度集成密度大批量的費用小批量的費用

投放市場時間

降低風(fēng)險

未來的修改

開發(fā)工具教學(xué)目標

幾種集成芯片的性能比較

：性能好：性能很好目前比較典型的器件有：Xilinx公司的FPGA/CPLD系列器件Altera公司的FPGA/CPLD系列器件TI公司的TPC系列Lattice公司的ispLSI系列

3.1.2PLD廠商及其產(chǎn)品3.1.2PLD廠商及其產(chǎn)品Xilinx公司創(chuàng)新概念起始于1984年，目標是要將LSI/VLSI門陣列技術(shù)的高邏輯密度和通用性與用戶現(xiàn)場可編程部件的設(shè)計靈活、上市速度快及成品的有效性結(jié)合起來。1985年，Xilinx公司推出了世界上第一個FPGA器件。產(chǎn)品發(fā)展:XC3000,XC4000,XC5200,Virtex系列,Spartan系列等，目前主流產(chǎn)品

Spartan6系列、Artix7系列、Zynq-7000等Altera公司主要產(chǎn)品:MAX系列,FLEX系列,APEX系列,Stratix系列和Cyclone系列。MAX系列產(chǎn)品為CPLD結(jié)構(gòu)，編程信息以EEPROM方式保存。FLEX系列、Cyclone系列產(chǎn)品為FPGA，通過內(nèi)部存儲器單元陣列存儲編程信息。Altera公司主要軟件開發(fā)工具：MAX+PLUSⅡQuartus（QuartusPrime）SOPCBuilderDSPBuilder3.1.3FPGA和CPLD之間的差別

FPGACPLDFPGA與CPLD的不同點邏輯單元的粒度不一樣，設(shè)計靈活性不同；FPGA芯片的邏輯門密度比CPLD芯片高；內(nèi)部連線結(jié)構(gòu)不同；時序延遲的特性不同；CPLD更適合于完成各類算法和組合邏輯，而FPGA更適合于完成時序較多的邏輯電路。

3.1.4FPGA/CPLD的優(yōu)點FPGA/CPLD芯片的集成度越來越大；研制開發(fā)費用相對較低；可以反復(fù)編程、擦除和使用；設(shè)計周期短；3.2XilinxFPGA

結(jié)構(gòu)簡介以Xilinx公司的XC3000系列產(chǎn)品為例XC3000FPGA結(jié)構(gòu)圖XC3000的結(jié)構(gòu)主要包括四個部分:

可編程邏輯塊CLB（ConfigurableLogicBlock）可編程輸入輸出模塊IOB（Input/OutputBlock）可編程內(nèi)部連線PI（ProgrammableInterconnect）可配置存儲器（SRAM陣列）

兩個創(chuàng)新概念：

一、具有邏輯單元陣列結(jié)構(gòu)LCA（LogicCellArray），因此具有門陣列及可編程的雙重特性；二、邏輯功能的實現(xiàn)是通過對可配置存儲器的配置來完成的?？删幊踢壿媺KCLB

CLB組合邏輯的三種結(jié)合方式

可編程輸入輸出模塊IOB

可編程內(nèi)部連線PI

3.3Altera

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡介以Altera公司的FLEX10K系列產(chǎn)品為例FLEX10K結(jié)構(gòu)圖FLEX10K系列器件主要由四部分組成

嵌入式陣列：由嵌入式陣列塊（EAB:EmbeddedArrayBlock）構(gòu)成

邏輯陣列：由一系列的邏輯陣列塊（LAB）構(gòu)成的

快速通道（FastTrack