《數(shù)字電路EDA設(shè)計(jì)》課件第二章 典型的CPLD fpga芯片結(jié)構(gòu)

第二章

典型的cpldfpga芯片結(jié)構(gòu)ALTERA公司CPLD芯片CPLD傳統(tǒng)CPLD的主要缺點(diǎn)在于：當(dāng)器件內(nèi)部的宏單元個(gè)數(shù)超過(guò)512個(gè)，或者門(mén)密度超過(guò)幾千門(mén)時(shí)，宏單元之間的互連線(xiàn)規(guī)模將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，限于CPLD器件的面積約束，全局布線(xiàn)結(jié)構(gòu)的CPLD內(nèi)部密度有限。采用了新的結(jié)構(gòu)，仍然以L(fǎng)ABs為主要結(jié)構(gòu)，但布線(xiàn)方法摒棄了以前的全局布線(xiàn)結(jié)構(gòu),而是采用了行列布線(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部還集成了FLASH存儲(chǔ)器，這使得MAXII系列芯片本身就具備了存儲(chǔ)功能MAXII傳統(tǒng)CPLD的乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)與MAXII系列芯片對(duì)比傳統(tǒng)的乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)MAXII系列芯片各款芯片的引腳數(shù)目與封裝基于LUT的LE結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)以邏輯單元LE（Logicelements）為基礎(chǔ)單位，每個(gè)LE又包括一個(gè)4輸入查找表與一個(gè)寄存器MAXII系列芯片的邏輯陣列由LAB(邏輯陣列塊)構(gòu)成，每個(gè)LAB包括10個(gè)邏輯單元，每個(gè)邏輯單元都能實(shí)現(xiàn)一部分用戶(hù)期望的邏輯功能。MAXII系列芯片芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MAXII系列芯片提供了一個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括的全局時(shí)鐘線(xiàn)為整個(gè)芯片內(nèi)部的各部分提供時(shí)鐘,不作時(shí)鐘時(shí)可作諸如復(fù)位、預(yù)置位、輸出使能等全局控制信號(hào)。注意：上圖中并未給出FLASH存儲(chǔ)器的位置，因?yàn)椴煌吞?hào)芯片的FLASH位置不同。EPM240器件的FLASH塊位置在器件左側(cè)，EPM570、EPM1270和EPM2210器件的FLASH塊在左下區(qū)域。FLASH存儲(chǔ)空間被劃分為指定的配置間CFM，CFM提供了SRAM配置信息，使得MAXII系列芯片器件上電時(shí)能自動(dòng)配置邏輯功能。MAXII系列芯片內(nèi)置FLASH中的一部分，約8192位的存儲(chǔ)空間被劃分給用戶(hù)作為用戶(hù)存儲(chǔ)器使用，這一區(qū)域稱(chēng)為UFM（UserFlashMemory），UFM可以與其附近的3行LAB相接，由這些LAB進(jìn)行讀寫(xiě)。MAXII系列芯片的底層布局

LAB局部互連能夠驅(qū)動(dòng)同一LAB的所用LE。LAB局部互連線(xiàn)的信號(hào)來(lái)自于整個(gè)芯片的行列互連線(xiàn)與各LE輸出信號(hào)的反饋。通過(guò)直接互連的形式，與LAB相鄰的其他LAB也能驅(qū)動(dòng)LAB的局部互連線(xiàn)。直接互連的形式體現(xiàn)了高性能與靈活的特點(diǎn)，能夠顯著減輕整個(gè)芯片行列互連線(xiàn)的負(fù)擔(dān)。借助于局部互連與直接互連，每個(gè)LE能夠驅(qū)動(dòng)30個(gè)LE。每個(gè)LAB能在同一時(shí)刻發(fā)出10種控制信號(hào)給其內(nèi)部的邏輯單元。這些控制信號(hào)包括兩條時(shí)鐘信號(hào)、兩條時(shí)鐘使能信號(hào)、兩條異步復(fù)位信號(hào)、一條同步復(fù)位信號(hào)、一條異步預(yù)置信號(hào)、一條同步預(yù)置信號(hào)以及加/減控制信號(hào)。例如當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器功能時(shí)，一般需要這些信號(hào)中的同步預(yù)置與同步復(fù)位信號(hào)。

每個(gè)邏輯陣列塊包括10個(gè)LE（邏輯單元），邏輯單元進(jìn)位鏈、LAB控制信號(hào)、LAB局部互連線(xiàn)、一個(gè)查找表鏈以及寄存器互連鏈。每個(gè)LAB可含多達(dá)26個(gè)專(zhuān)用輸入信號(hào)，還包括由同一LAB中其他邏輯單元的輸出反饋回來(lái)的10個(gè)反饋信號(hào)。內(nèi)部互連線(xiàn)用于同一LAB內(nèi)部各LE之間的信號(hào)傳遞。查找表鏈用于將同一LAB的相鄰LE的LUT輸出信號(hào)進(jìn)行互連傳遞。寄存器互連鏈將某一LE寄存器的輸出與相鄰LE寄存器進(jìn)行互連傳遞。ALTERA公司的EDA開(kāi)發(fā)軟件QuartusII能夠充分利用這些進(jìn)位鏈自動(dòng)將邏輯功能配置到相應(yīng)的LE內(nèi)。邏輯陣列塊

每個(gè)邏輯陣列塊包括10個(gè)LE（邏輯單元），邏輯單元進(jìn)位鏈、LAB控制信號(hào)、LAB局部互連線(xiàn)、一個(gè)查找表鏈以及寄存器互連鏈。每個(gè)LAB可含多達(dá)26個(gè)專(zhuān)用輸入信號(hào)，還包括由同一LAB中其他邏輯單元的輸出反饋回來(lái)的10個(gè)反饋信號(hào)。內(nèi)部互連線(xiàn)用于同一LAB內(nèi)部各LE之間的信號(hào)傳遞。查找表鏈用于將同一LAB的相鄰LE的LUT輸出信號(hào)進(jìn)行互連傳遞。寄存器互連鏈將某一LE寄存器的輸出與相鄰LE寄存器進(jìn)行互連傳遞。ALTERA公司的EDA開(kāi)發(fā)軟件QuartusII能夠充分利用這些進(jìn)位鏈自動(dòng)將邏輯功能配置到相應(yīng)的LE內(nèi)。邏輯陣列塊

每個(gè)邏輯陣列塊包括10個(gè)LE（邏輯單元），邏輯單元進(jìn)位鏈、LAB控制信號(hào)、LAB局部互連線(xiàn)、一個(gè)查找表鏈以及寄存器互連鏈。每個(gè)LAB可含多達(dá)26個(gè)專(zhuān)用輸入信號(hào)，還包括由同一LAB中其他邏輯單元的輸出反饋回來(lái)的10個(gè)反饋信號(hào)。內(nèi)部互連線(xiàn)用于同一LAB內(nèi)部各LE之間的信號(hào)傳遞。查找表鏈用于將同一LAB的相鄰LE的LUT輸出信號(hào)進(jìn)行互連傳遞。寄存器互連鏈將某一LE寄存器的輸出與相鄰LE寄存器進(jìn)行互連傳遞。ALTERA公司的EDA開(kāi)發(fā)軟件QuartusII能夠充分利用這些進(jìn)位鏈自動(dòng)將邏輯功能配置到相應(yīng)的LE內(nèi)。邏輯陣列塊LAB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)注意，LAB的時(shí)鐘信號(hào)及其時(shí)鐘使能信號(hào)一定是同時(shí)發(fā)揮作用的，例如，若LAB中某一個(gè)LE要用到時(shí)鐘信號(hào)labclk1，則對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘使能信號(hào)labclkena1必須有效。LAB的控制信號(hào)邏輯單元LE雖然是MAXII系列芯片最小的邏輯模塊，卻為實(shí)現(xiàn)邏輯功能提供了很多重要特性。MAXII系列芯片的邏輯單元結(jié)構(gòu)MAXII系列芯片的邏輯單元結(jié)構(gòu)，從圖中可看出，邏輯單元內(nèi)的可編程寄存器能夠配置為DFF、TFF、JKFF或SRFF。每個(gè)寄存器都有異步預(yù)置信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)與時(shí)鐘使能信號(hào)、復(fù)位信號(hào)以及異步加載信號(hào)。其中寄存器時(shí)鐘信號(hào)與復(fù)位信號(hào)可由全局信號(hào)、通用I/O引腳或任何邏輯單元驅(qū)動(dòng)，而時(shí)鐘使能信號(hào)、異步加載數(shù)據(jù)由通用I/O引腳或邏輯單元驅(qū)動(dòng)。異步加載的數(shù)據(jù)來(lái)自于邏輯單元的data3輸入。對(duì)于組合邏輯功能而言，查找表的輸出將寄存器旁路，而直接送到邏輯單元的輸出端。每個(gè)邏輯單元的三個(gè)輸出端分別獨(dú)立地輸出到局部互連布線(xiàn)、行互連線(xiàn)、列互連線(xiàn)。由于三個(gè)輸出可相互獨(dú)立，因而在某些場(chǎng)合將發(fā)生查找表與寄存器同時(shí)輸出數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象也說(shuō)明MAXII系列芯片可以將同一邏輯單元的查找表與寄存器用于不同功能的實(shí)現(xiàn)，這一特點(diǎn)與以往芯片相比顯著提高了寄存器的利用效率。用戶(hù)FLASH存儲(chǔ)區(qū)

用戶(hù)FLASH存儲(chǔ)區(qū)（UFMblock）是MAXII系列芯片的一大特色，這種內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器的功能類(lèi)似于串行EEPROM，它允許用戶(hù)存儲(chǔ)寬度最高為16位、容量為8192位的固定數(shù)據(jù)。UFM允許任何邏輯單元訪(fǎng)問(wèn)，下圖給出了UFM的接口信號(hào)。UFM與LAB的接口電路

UFM與LAB的接口電路XILINX公司Virtex-5系列FPGA123可配置邏輯塊CLB輸入輸出模塊IOBBlockRAM

Virtex-5系列芯片均提供了數(shù)量巨大的CLB，如XC5VLX330芯片，有兩萬(wàn)多個(gè)CLB。

每個(gè)CLB又包含了兩個(gè)Slice。下圖是CLB內(nèi)的Slice排列示意圖，其中的CIN是來(lái)自鄰近的CLB的進(jìn)位信號(hào)，COUT是送往其他CLB的進(jìn)位輸出信號(hào)。兩個(gè)Slice相互獨(dú)立，均可通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣（SwitchMatrix)與全片的通用布線(xiàn)陣列（GeneralroutingMatrix)相連。CLB內(nèi)部的Slice是真正實(shí)現(xiàn)邏輯功能的模塊，每個(gè)Slice內(nèi)部包括4個(gè)結(jié)構(gòu)相同的部分，這四個(gè)模塊分別用A~D區(qū)分。Slice又分為兩種：SLICEM與SLICEL。二者的區(qū)別在于Slice是否支持用分布式RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和能否寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)移位。圖2-13給出了SLICEM內(nèi)部A部分的結(jié)構(gòu)。若將該圖左側(cè)的DPRAM/SPRAM/SRL/LUT/RAM/ROM模塊改為只具有LUT/ROM功能的模塊，并將WE信號(hào)去除之后，即為SLICEL的結(jié)構(gòu)。由于SLICEM支持用分布式RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)于SLICEM內(nèi)的各個(gè)查找表中，因此SLICEM適合于需要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。分布式RAM可以有很多種形式，比如單端口或雙端口的32（或64或128）x1位RAM、四端口32x2位RAM、四端口64x1位RAM單端口、單端口256x1位RAM等。分布式RAM需要同步操作，通常可以用同一Slice中的一個(gè)存儲(chǔ)元件或觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)同步寫(xiě)。通過(guò)合理設(shè)置這個(gè)觸發(fā)器的位置，可以將觸發(fā)器的延遲縮短到觸發(fā)器的時(shí)鐘輸出范圍內(nèi)，從而提高分布式RAM的性能。多個(gè)CLB之間的連接關(guān)系及其坐標(biāo)安排

上圖右側(cè)部分是寄存器，SR、CE、CLK是Slice內(nèi)部四個(gè)寄存器的置位/復(fù)位、時(shí)鐘使能和時(shí)鐘信號(hào)，這些寄存器都可以被設(shè)置為同步或異步置位與復(fù)位。上圖左側(cè)存儲(chǔ)部分可以以三種形式配置ROM：ROM64x1、ROM128x1、ROM256x1，顯然如果配置為ROM64x1只需要某一個(gè)存儲(chǔ)模塊，而ROM128x1需要二個(gè)，ROM256x1需要Slice內(nèi)部全部的四個(gè)存儲(chǔ)模塊。ROM內(nèi)容在每次器件配置時(shí)加載。每個(gè)Slice除了能實(shí)現(xiàn)四個(gè)6輸入布爾函數(shù)外,還能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)7輸入布爾函數(shù)或一個(gè)8輸入布爾函數(shù)。怎樣實(shí)現(xiàn)兩個(gè)7輸入布爾函數(shù)或一個(gè)8輸入布爾函數(shù)？利用多路選擇器實(shí)現(xiàn)7輸入或8輸入布爾函數(shù)Virtex-5FPGA的輸出模塊支持業(yè)界大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，如LVCMOS、LVTTL、HSTL、SSTL、GTL、PCI等。與CLB包含兩個(gè)Slice類(lèi)似，Virtex-5采用了一種稱(chēng)為T(mén)ile的結(jié)構(gòu)，每個(gè)Tile包含兩個(gè)IOB，每個(gè)IOB外部有ILOGIC/ISERDES單元與OLOGICO/OSERDES單元，內(nèi)部有輸入緩沖INBUF、輸出緩沖OUTBUF、焊盤(pán)PAD和三態(tài)SelectIO驅(qū)動(dòng)器。I/OTile示意圖IOB內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖OLOGIC結(jié)構(gòu)圖Virtex-5系列芯片IOB的ILOGIC/ISERDES可以配置為D觸發(fā)器或鎖存器，也可以配置為IDDR模式。IDDR是指輸入雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)寄存器，ILOGIC電路中有專(zhuān)用寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)用時(shí)需要通過(guò)例化IDDR單元來(lái)使用此功能。OLOGIC由兩個(gè)主要模塊組成，一個(gè)用于配置輸出數(shù)據(jù)通路，另一個(gè)用于配置三態(tài)控制通路。這兩個(gè)模塊也可以配置為D觸發(fā)器、鎖存器或DDR模