Xilinx FPGA设计与实践教程 教学课件 作者 赵吉成 第1 5章 第1章.ppt

1.1 FPGA的基本概念　　顾名思义，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)是由可编程配置的逻辑块组成的数字集成电路，这些逻辑块之间有着丰富的可配置的互连资源，设计者可以通过对这些资源进行不同的配置和编程来达到自己所要实现的目标。我们要从如下几个方面来理解FPGA的特性。 　　首先，FPGA名称中的“现场可编程”是指编程“在现场”进行(与那些内部功能已被制造商固化的器件正相反)。这意味着FPGA的编程具有更强的灵活性和创新性，我们可以在实验室进行配置，或者可以对已经应用于实际的电子系统中的某些功能进行改进，或者可以根据用户需求，实现新的协议或者标准来对当前应用作进一步的完善和改进。总而言之，FPGA的现场可编程特性满足了用户实现任意数字逻辑的愿望，成为用户灵活“武装”自己产品的最有效的武器。 　　其次，FPGA名称中的“逻辑门阵列”不仅仅指的是传统意义上的逻辑门阵列。FPGA是可编程逻辑器件(PLD)和专用集成电路(ASIC)技术发展到一定程度的产物。PLD能够实现灵活的逻辑可编程功能，但是其可编程规模小，无法实现复杂的逻辑功能，而ASIC虽然能够实现复杂的逻辑功能，但是昂贵的工艺过程和巨额的流片费用，在很多时候令大家望而却步。FPGA的诞生恰好弥合了PLD和ASIC之间的这道鸿沟，其逻辑规模可以达到ASIC的级别，而且不必承担如ASIC开发带来的数额巨大的不可重现工程(NRE)成本。随着FPGA技术的不断发展，FPGA器件逐渐变成一种数字化平台系统，其 “逻辑门”已经不再和PLD或者ASIC一样，而是包含了现代FPGA中的各种资源，如可编程逻辑块、RAM资源、数字信号处理模块、微处理器等。 　1.2 可编程逻辑技术发展简介 1.2.1 可编程技术发展演变过程　　世界上第一款可编程逻辑器件是1970年以PROM的形式进入人们视野的，但当时还非常简单，仅仅到20世纪70年代末，复杂实用的PLD器件便应用在工程当中了。为了在复杂程度上进行区分，后来出现了新的名词即简单可编程逻辑器件(SPLD)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。SPLD至今依然有人沿用，而CPLD成为当今PLD器件的代名词。PLD器件经历了在结构上的不断改进，从一开始的PROM器件，到PLA、PAL，再到后来的GAL，逐渐演变到今天通用的CPLD结构。 　　1．PROM器件　　PROM(Programmable Read-Only Memory，可编程只读存储器)基本结构其实就是由与(AND)阵列函数驱动可编程的或(OR)阵列函数。一个3输入3输出的基于PROM结构的可编程逻辑器件结构如图1-1所示。图中，“”代表逻辑“与”；“！”代表逻辑“非”。 　　在OR门阵列中的可编程连线可以用熔丝、EPROM晶体管或者E2PROM器件中的E2PROM晶体管等来实现。PROM器件可以用来实现任何组合逻辑块，但是它无法实现太多的输入和输出。PROM器件最初主要作为存储器来存放计算机程序和常数值，工程师也发现它可以用来实现简单的逻辑功能，比如状态机查找表等。随着PROM的大量应用，其他在其基础上改进的可编程器件也纷纷面世。 图1-1 3输入3输出的基于PROM结构的可编程逻辑器件结构图 　　2．PLA器件　　由于PROM器件对地址有限制，可编程器件的下一步演化就是PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)器件。PLA器件是可编程逻辑器件中用户可配置性最好的，因为它的AND和OR阵列都是可配置的。正是由于AND阵列也可编程，因而AND阵列中的AND函数的数目便可以与器件的输入数目独立，只要引入更多的行，便可在阵列中形成额外的AND函数。类似地，OR阵列也是与AND阵列独立的，引入更多的列就可以形成更多的列函数。如果我们要用PLA器件完成下面三个公式，则可以按图1-2所示的连线方式进行编程： 图1-2 PLA编程示意图 　　3．PAL器件　　PAL(Programmable Array Logic，可编程阵列逻辑)器件便是为了解决PLA的速度问题而产生的，其结构示意图如图1-3所示。 　　从图1-3中可以看到，PAL的结构与PROM的正好相反，体现在PAL是由一个可编程AND阵列和一个预定义的OR阵列组成的，相对于PLA器件速度要快得多，但是它只允许有限数量的乘积项相或，对器件的应用灵活性又一次进行制约。要解决这些问题，需要跳出PROM器件的阴影，不再针对PROM器件做结构上简单的改进，而是采用新的方法，也就是下面我们讨论的GAL器件。 　　4．GAL以及CPLD器件　　GAL(Generic Array Logic，通用逻辑阵列)器件是Lattice公司于1985年推出的新型的可编程逻辑器件，GAL