可编程逻辑器件及其开发工具.ppt

第11章 可编程逻辑器件及其开发工具 本章主要内容 (1) 可编程逻辑器件概述 (2) FPGA的工作原理与基本结构 (3) FPGA的设计与开发 11.1 可编程逻辑器件（PLD）概述 11.1.1 PLD的产生 传统的硬件电路设计方法一般是先选用标准通用集成电路芯片，再由这些芯片“自下而上”地构成电路、子系统和系统。 采用这种设计方法，对系统进行设计并调试完毕后，所形成的设计文件主要是由若干张电原理图构成的文件。设计者在电原理图中详细标注各逻辑单元、器件名称及互相间的连接关系。 这种设计文件是用户使用和维护系统的依据。对于大系统，由于电路系统十分复杂，所以其电原理图可能需要成千上万张，这给阅读、归档、修改和使用均带来极大的麻烦。 近年来发展起来的电子设计自动化EDA技术，采用“自上而下”的设计方法来进行逻辑电路的设计。 在这种崭新的设计方法中，可以由用户对整个电路系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路由一片或几片专用集成电路ASIC构成。 ASIC的设计与制造，已不再完全由半导体厂家独立承担，用户本身就可以在自己的实验室里设计出合适的ASIC器件，并且可以立即投入实际使用之中。 这种电子技术设计领域中的重大变革，主要得益于可编程逻辑器件PLD的产生与应用。 采用PLD技术，用户利用专门的硬件描述语言，根据自己的应用需求来定义和构造逻辑电路，描述其逻辑功能，利用EDA工具软件，经过特定的编译或转换程序，生成相应的目标文件，再由编程器和下载电缆将设计文件配置到PLD器件中，即可得到满足用户要求的专用集成电路了。 PLD的产生与应用，不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且还有力地推动了数字电路设计方法的革新。 11.1.2 PLD的发展 1.可编程只读存储器（PROM） 2.可编辑逻辑阵列（PLA） 3.可编程阵列逻辑（PAL） 4. 通用阵列逻辑（GAL） 上述PROM、PLA、PAL和GAL器件结构简单，对开发软件的要求低，但它们的电路规模小，难以实现复杂的逻辑功能，所以均属简单可编程器件（SPLD）。 随着技术的发展，包括CPLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA在内的复杂PLD器件迅速发展起来。 5. 现场可编程门阵列（FPGA） 1985年，XiLinx公司推出世界上第一片现场可编程门阵列FPGA。它是一种新型高密度的PLD器件，采用COMS-SRAM工艺制作，其内部有许多独立的可编程逻辑模块（CLB）组成，逻辑模块之间可以灵活地至连起来。 FPGA结构通常包括三种逻辑模块：可编程逻辑模块（CLB）、可编程输入/输出模块（I/OB）和可编程连线资源（PI）。 较复杂的FPGA结构中还有其他一些功能模块。 CLB的功能很强，不仅能实现逻辑函数，还可以配置成移位寄存器或RAM等复杂形式。 配置数据存放在片内的SRAM或者熔丝图上，基于SRAM的FPGA器件工作前需要从芯片外部加载配置数据。 加载的配置数据可以存储在片外的E2PROM或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程。 11.1.3 PLD的主要特点 1. 高密度 2. 低功耗 3. 高速度 4. 高开发效率 各种PLD均有相应开发工具软件给予支持，电路设计人员在很短的时间内就可以完成电路输入、编译、仿真、综合和配置（编程），直至最后芯片的制作，从根本上改变了传统的电子电路设计方法。 另外，PLD本身可以反复编程、擦除、从而使开发、设计效率得到极大的提高。 11.1.4 PLD的基本结构 PLD的基本结构是由“与阵列”、“或阵列”、输出缓冲电路和输出电路构成，反馈信号通过内部反馈通道馈送到输入端，如图11.1 所示。 “与阵列”和“或阵列”是PLD电路的主体，“与阵列”用来产生乘积项，“或阵列”用来产生乘积项之和。 输入缓冲电路可以使输入信号具有足够的驱动能力，并产生输入变量的原变量和反变量。 ? 根据电路功能的不同，PLD可以由“或阵列”直接输出（组合电路方式），也可以通过触发器或寄存器输出（时序电路方式）。输出可以是高电平有效，也可以是低电平有效，输出端通常都采用三态门结构。 ? 11.1 PLD的结构框图 11.2 FPGA的工作原理与基本结构 11.2.1 FPGA的工作原理 由于FPGA可以被反复擦写，因此它所实现的逻辑电路不是通过固定门电路的连接来完成，而是采用一种易于反复配置的结构，查找表可以很好地满足这一要求。 目前，主流FPGA都采用了基于SRAM的查找表结构，也有一些高可靠性要求的FPGA产品采用Flash或者熔丝工艺的查找表结构。可通过擦写文件改变查找表内容的方法来