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3.1 概 述

第3章 FPGA／CPLD 结构与应用. 3.1 概 述. 组合电路 : 在逻辑上总是当前输入状态的函数 时序电路 : 其输出是当前系统状态与当前输入状态的函 数 , 它含有存储单元. 乘积项逻辑可编程结构. 图3-1 基本 PLD 器件的原理结构图. 一、可编程逻辑器件的发展历程. EPLD 器件. PROM 和 PLA 器件. 改进的 PLA 器件. GAL 器件. CPLD 器件. FPGA 器件. 内嵌复杂 功能模块 的 SoPC. 70年代. 80年代. 90年代.

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3.1 概 述

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  1. 第3章 FPGA／CPLD结构与应用 3.1 概 述 组合电路:在逻辑上总是当前输入状态的函数 时序电路:其输出是当前系统状态与当前输入状态的函 数,它含有存储单元.

  2. 乘积项逻辑可编程结构 图3-1 基本PLD器件的原理结构图

  3. 一、可编程逻辑器件的发展历程 EPLD 器件 PROM 和PLA 器件 改进的 PLA 器件 GAL器件 CPLD器件 FPGA器件 内嵌复杂 功能模块 的SoPC 70年代 80年代 90年代

  4. 二、 可编程逻辑器件的分类 图3-2 按集成度(PLD)分类 比对基准:GAL22V10

  5. 可编程逻辑器件从结构上区分,可分为乘积项结构器件和查找表结构器件.可编程逻辑器件从结构上区分,可分为乘积项结构器件和查找表结构器件. 可编程逻辑器件从编程工艺上划分,可分为一次性可编程器件(OTP)器件和多次性可编程器件器件. 一次性可编程器件(OTP)器件又分为熔丝型器件(如早期的PROM)和反熔丝型器件(如Actel公司的FPGA器件) 多次性可编程器件器件又分为紫外线擦除电可编程器件(EPROM),电可擦写编程器件(EEPROM),SROM查找表结构器件和Flash型器件.

  6. 3.2 简单PLD原理 一、 电路符号表示 图3-3 常用逻辑门符号与现有国标符号的对照

  7. 图3-4PLD的互补缓冲器 图3-5 PLD的互补输入 图3-6 PLD中与阵列表示 图3-7 PLD中或阵列的表示 图3-8 阵列线连接表示

  8. 二、 PROM（Programmable Read Only Memory) 图3-9 PROM基本结构： 其逻辑函数是：

  9. 图3-10 PROM的逻辑阵列结构 逻辑函数表示：

  10. 图3-11 PROM表达的PLD图阵列 图3-12 用PROM完成半加器逻辑阵列

  11. 三、 PLA(Programmable Logic Array) 图3-13 PLA逻辑阵列示意图

  12. 图3-14 PLA与 PROM的比较

  13. 四、 PAL(Programmable Array Logic) 图3-15 PAL结构： 图3-16 PAL的常用表示：

  14. 图3-17 一种PAL16V8的部分结构图

  15. 五、 GAL（Generic Array Logic) 图3-18 GAL16V8的结构图

  16. 乘积项逻辑 GAL： General Array Logic Device 最多有8个或项，每个或项最多有32个与项 EPLD Erasable Programmable Logic Device

  17. 时钟信 号输入 输入口 逻辑宏单元 输入/输出口 GAL16V8 固定或阵列 可编程与阵列 三态控制

  18. 图3-20寄存器模式组合双向输出结构 图3-19寄存器输出结构

  19. 图3-22 复合型组合输出结构 图3-21 组合输出双向结构

  20. 图3-24 输出反馈结构 图3-23 反馈输入结构

  21. 图3-25 简单模式输出结构

  22. 3.3 CPLD结构与工作原理 图3-26 MAX7000系列的单个宏单元结构

  23. (1) 逻辑阵列块(LAB) 图3-27- MAX7128S的结构

  24. (2) 宏单元 (3) 扩展乘积项 图3-28 共享扩展乘积项结构

  25. 图3-29 并联扩展项馈送方式

  26. (4) 可编程连线阵列 (5) 不同的LAB通过在可编程连线阵列(PIA)上布线，以相互连接构成所需的逻辑。 图3-30 PIA信号布线到LAB的方式

  27. (6) I/O控制块 图3-31-EPM7128S器件的I/O控制块

  28. 3.4 FPGA结构与工作原理 一、 查找表 图3-32 FPGA查找表单元： 图3-33 FPGA查找表单元内部结构

  29. 输入1 查黑 找盒 表子 输入2 输出 输入3 输入4 基于查找表的结构模块 什么是查找表? • 一个N输入查找表 (LUT，Look Up Table)可以实现N个输入变量的任何逻辑功能，如N输入“与”、N输入“异或”等。 • 输入多于N个的函数、方程必须分开用几个查找表（ LUT）实现

  30. 输入 A 输入 B 输入C 输入D 0 0 多路选择器 0 0 0 1 查找表 输出 16x1 RAM 1 0 0 0 0 查找表原理 0 0 0 1 1

  31. 二、 FLEX10K系列器件 图3-34 FLEX 10K内部结构

  32. 连续布线和分段布线的比较 连续布线 ( Altera 基于查找表（LUT）的 FPGA ) 连续布线 = 每次设计重复的可预测性和高性能

  33. FLEX 10K系列FPGA结构图

  34. 1、逻辑单元LE 图3-35 LE(LC)结构图

  35. 快速加法器, 比较器和计数器 图3-36 进位链连通LAB 中的所有LE

  36. 图3-37 两种不同的级联方式

  37. 2、 逻辑阵列LAB----是由一系列的相邻LE构成的 图3-38-FLEX10K LAB的结构图

  38. 3、 快速通道(FastTrack)—-是一系列水平和垂直走向的连续式布线通道 4、 I/O单元与专用输入端口 图3-39 IO单元结构图

  39. 数据宽度8,4,2,1 输出宽度8,4,2,1 RAM/ROM 256x8 512x4 1024x2 2048x1 D D 地址宽度 8,9,10,11 D D 写使能 写脉冲电路 输入时钟 输出时钟 5、 嵌入式阵列块EAB----是在输入、输出口上带有寄存器的RAM块，是由一系列的嵌入式RAM单元构成。 图3-40 用EAB构成不同结构的RAM和ROM

  40. 三、FPGA/CPLD生产商

  41. ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8K ispLSI1016 、ispLSI2032、 ispLSI1032E、ispLSI3256A MACH系列 ispPAC系列： LATTICE VANTIS （AMD） CPLD 其他PLD公司： ACTEL公司： ACT1/2/3、40MX ATMEL公司：ATF1500AS系列、40MX CYPRESS公司 QUIKLOGIC公司 SO MUCH IC！ FPGA CPLD

  42. FPGA： FLEX系列：10K、10A、10KE，EPF10K30E APEX系列：20K、20KE EP20K200E ACEX系列：1K系列 EP1K30、EP1K100 STRATIX系列：EP1系列 EP1S30、EP1S120 CYCLONE系列：EP1C20 EXCALIBUR系列： CPLD： MAX7000/S/A/B系列：EPM7128S MAX9000/A系列 MAX3000系列 ALTERA

  43. 3.5 FPGA/CPLD测试技术 一、 内部逻辑测试（可测性设计——如在ASIC设计中的扫描寄存器） 二、 JTAG（Joint Test Action Group---联合测试行动组）边界扫描测试 图3-41 边界扫描电路结构

  44. 表3-1 边界扫描IO引脚功能

  45. 图3-42 边界扫描数据移位方式

  46. 图3-43 JTAG BST 系统内部结构

  47. 图3-44 JTAG BST系统与与FLEX器件关联结构图

  48. 图3-45 JTAG BST选择命令模式时序 TAP控制器的命令模式有： SAMPLE／PRELOAD指令模式 EXTEST指令模式 BYPASS指令模式 IDCODE指令模式 USERCODE指令模式

  49. 3.6 FPGA/CPLD产品概述 一、 Lattice公司CPLD器件系列 ispLSI1000E系列 ispLSI2000E/2000VL/200VE系列 1. ispLSI器件系列 ispLSI5000V系列 ispLSI 8000/8000V系列 2.ispLSI器件的结构与特点: 系统可编程功能。 采用UltraMOS工艺。 短路保护功能。 边界扫描测试功能。 加密功能。

  50. 二、 Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列 1. Virtex E系列FPGA 2. SpartanⅡ器件系列 3. XC9500系列CPLD 4. Xilinx FPGA配置器件SPROM 5. Xilinx的IP核

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