5大步驟完成FPGA的設(shè)計 可編程邏輯器件PAL介紹

5大步驟完成FPGA的設(shè)計可編程邏輯器件PAL介紹FPGA設(shè)計方法可以總結(jié)為一個簡單的設(shè)計流程，Altera的QuartusII軟件是全集成開發(fā)工具，完全支持這一設(shè)計流程。具體步驟如下。（1）進(jìn)行源文件的編輯和編譯。首先需要將設(shè)計思路用文本方式或圖形方式表達(dá)出來，進(jìn)行排錯編譯，為進(jìn)一步的邏輯綜合做準(zhǔn)備。常用的源程序輸入方式有原理圖輸入方式和文本輸入方式。（2）進(jìn)行邏輯綜合和優(yōu)化。將源文件經(jīng)過一系列的操作，分解成一系列的邏輯電路及對應(yīng)的關(guān)系，最終獲得門級電路甚至更底層的電路描述文件，即生成與FPGA/CPLD基本結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的網(wǎng)表文件。（3）進(jìn)行目標(biāo)器件的布線/適配。在選用的目標(biāo)器件中建立起與網(wǎng)表文件符合的基本邏輯電路的對應(yīng)關(guān)系。（4）目標(biāo)器件的編程下載。如果編譯、綜合、布線/適配和行為仿真、功能仿真、時序仿真等過程都沒有發(fā)現(xiàn)問題，即滿足原設(shè)計的要求，則可以將布線/適配器產(chǎn)生的配置/下載文件下載電纜載入目標(biāo)芯片中。（5）硬件仿真/硬件測試。將下載好程序的FPGA放在開發(fā)板上進(jìn)行測試，以驗證設(shè)計思想與實際電路的偏差。思考一下邏輯功能實現(xiàn)的共性，如果把這些邏輯門和寄存器組合到一個器件中會怎樣？從與門到或門，從或門到寄存器有固定的連接會怎樣呢？更進(jìn)一步，如果有一種方法來設(shè)置輸入和與門之間的連接，以確定應(yīng)使用哪些輸入，以及在哪里使用，又會怎樣呢？這方面的思考導(dǎo)致了第一款可編程陣列邏輯器件PAL的產(chǎn)生，如圖1.5所示。將邏輯門和輸出寄存器固定為通用邏輯后，選擇使用邏輯輸入及其互補(bǔ)邏輯，就可以建立任何邏輯功能。PAL主要由圖1.5中的三部分構(gòu)成，多次復(fù)制這三部分就可以形成復(fù)雜PAL器件。這里顯示的可編程陣列是所選擇的輸入，將其連接到需要的與門。在輸入和進(jìn)入與門的線之間進(jìn)行連接，可實現(xiàn)線與操作。與門輸出構(gòu)成乘積項。乘積項通過或門完成乘積和，從而產(chǎn)生最終函數(shù)輸出。圖1.5可編程陣列邏輯示意圖然后，將其送入寄存器進(jìn)行存儲或者同步。這一部分PAL通常被稱為宏單元。某些PAL包括了陣列反饋選項，以實現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯功能，還可以完全旁路輸出寄存器，以建立異步輸出。需要指出的是，在目前的大部分器件中，所有這三部分共同構(gòu)成了宏單元。這就是CPLD器件的情況。這類器件的優(yōu)點非常明顯。一個器件中的邏輯越多，電路板上需要的器件就越少。器件越少，意味著占用更少的電路板來實現(xiàn)邏輯，空出的電路板可以用于放置其他元件。更少的器件還意味著較低的總成本及功耗。邏輯功能連接不必跨過多個器件，避免了連接錯誤，也簡化了邏輯功能的測試和調(diào)試。PAL還可以實現(xiàn)設(shè)計安全性。PAL在設(shè)計上還非常靈活，設(shè)計人員采用一類器件就能夠建立很多不同的設(shè)計，不用擔(dān)心邏輯的可用性。這種靈活性使可編程邏輯設(shè)計實現(xiàn)起來更復(fù)雜，但與PAL配套產(chǎn)生了很多自動設(shè)計工具，它們簡化了設(shè)計過程，縮短了設(shè)計時間。PAL最強(qiáng)的功能在于它可以支持在系統(tǒng)編程和重新編程，很容易修復(fù)故障或者更新設(shè)計，而不需要替換電路板元件。早期PAL器件編程甚至當(dāng)前閃存技術(shù)的關(guān)鍵都在于編程陣列中跨線連接所使用的特殊晶體管。這些特殊晶體管被稱為浮柵晶體管，因為它們含有第二個柵極，浮在標(biāo)準(zhǔn)選擇柵極和器件基底其他部分之間。兩類最典型的浮柵晶體管是FAMOS（浮柵雪崩注入MOS晶體管）和FLOTOX（浮柵溝道氧化晶體管）。如果不進(jìn)行任何設(shè)置，這兩類晶體管都可以用做標(biāo)準(zhǔn)n型晶體管：當(dāng)電壓加在柵極上時，晶體管源極和漏極之間導(dǎo)通。兩類晶體管都可以采用相似的方法進(jìn)行設(shè)置來改變這種工作方式。漏極和柵極之間加上足夠的設(shè)置電壓后，電子被“限制”在浮柵上，即使在所選柵極上加上標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，晶體管也不會導(dǎo)通。這樣，設(shè)置浮柵晶體管使之總是“關(guān)斷”，這實際上是一個開關(guān)。FLOTOX晶體管還需要一個額外的選擇晶體管，這是因為未設(shè)置的FLOTOX晶體管有時像p型晶體管，柵極接地時導(dǎo)通。選擇晶體管防止了這一現(xiàn)象的發(fā)生。這兩類浮柵晶體管的主要不同點在于它們重新編程的方式。FAMOS晶體管需要用紫外強(qiáng)光迫使被俘獲的電子回到基底。使用FAMOS晶體管的器件是可擦除可編程RO