可编程逻辑器.ppt

第2章　可编程逻辑器件 2.1 可编程逻辑器件概述　　可编程逻辑器件是指可以通过编制硬件描述程序实现预定的逻辑功能的电子器件。FPGA(现场可编程门阵列)与CPLD(复杂可编程逻辑器件)是目前应用较广泛的两种可编程逻辑器件，它们是在PAL和GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。FPGA/CPLD的规模比PAL和GAL器件大得多，可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件，比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列。 　　CPLD通常基于乘积项(product-term)技术，采用EEPROM(或Flash)工艺，如Altera公司的MAX系列、Lattice公司的大部分产品及Xilinx公司的XC9500系列，这种CPLD都支持ISP技术在线编程，也可用编程器编程，并且可以加密。FPGA通常基于查找表(Look Up Table，LUT)技术，采用SRAM工艺，如Altera公司的FLEX、ACEX、APEX系列和Xilinx公司的Spartan与Virtex系列。由于SRAM工艺的特点——掉电后数据会消失，因此调试期间可以用下载电缆配置FPGA/CPLD器件，调试完成后，需要将数据固化在一个专用的EEPROM中(用通用编程器烧写)。 　　上电时，由这片配置EEPROM先对FPGA/CPLD加载数据，十几毫秒后，FPGA/CPLD即可正常工作(亦可由CPU配置FPGA/CPLD)。　　对用户而言，CPLD与FPGA的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下不加以区分。　　1．FPGA/CPLD的优点　　FPG　A/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点。 　　(1) 芯片容量大。随着超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA/CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万，所能实现的功能越来越强，同时还可以实现系统集成。　　(2) 质量可靠。FPGA/CPLD芯片在出厂之前都做过测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软/硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA/CPLD的资金投入少，节省了许多潜在的花费。 　　(3) 可重复使用。用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下，用不同软件实现不同的功能。因此，使用FPGA/CPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGA/CPLD软件包中有各种输入工具、仿真工具、版图设计工具及编程器等全线产品，使电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA/CPLD的优势。电路设计人员使用FPGA/CPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识。FPGA/CPLD软件易学易用，可以使设计人员集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 　　2．FPGA的分类　　FPGA的发展非常迅速，形成了各种不同的结构。根据不同的分类方法，FPGA可分为多种类型。　　(1) 按逻辑功能块的大小分类，FPGA可分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA。细粒度FPGA的逻辑功能块较小，资源可以充分利用，但连线和开关多，速度慢；粗粒度FPGA的逻辑功能块规模大，功能强，但资源不能充分利用。　　(2) 按逻辑功能块的结构分类，FPGA可分为查找表结构、多路开关结构和多级与非门结构。 　　(3) 按内部连线的结构分类，??FPGA可分为分段互连型FPGA和连续互连型FPGA两类。分段互连型FPGA中具有多种不同长度的金属线段，各金属线段之间通过开关矩阵或反熔丝编程连接，走线灵活方便，但走线延时无法预测；连续互连型FPGA利用相同长度的金属线段，连接与距离远近无关，布线延时是固定的和可预测的。 　　(4) 根据编程方式，FPGA可分为一次编程型FPGA和可重复编程型FPGA两类。　　一次编程型FPGA采用反熔丝(anti-fuse)技术，只能编程一次，因此产品初期开发过程比较麻烦，成本较高，但这类器件集成度高、布线能力强、阻抗低、寄生电容小、速度快、功耗低，此外还具有加密位、防拷贝、抗辐射、抗干扰、不需外接PROM或EPROM的特点，所以它在一些有特殊要求的领域(如军事及航空航天)中运用较多。Actel公司和Quicklogic公司提供此类产品。 　　可重复编程型FPGA