第二章可編程邏輯器件

1、第二章 可編程邏輯器件講解內容講解內容1）可編程邏輯器件的工作原理2）可編程邏輯器件的結構3）可編程邏輯器件的編程和配置 回望可編程邏輯器件回望可編程邏輯器件1966年，美國RCA公司研制出CMOS集成電路，并研制出第一塊門陣列（50門）20世紀70年代 ：PROM和PLA（熔絲編程）20世紀70年代末：AMD公司推出PAL20世紀80年代初：Lattice公司推出GAL（電擦寫）20世紀80年代中：Xinlinx公司提出現(xiàn)場可編程概念，生產出第一塊全球FPGA。同一時期，Altera公司推出EPLD器件20世紀80年代末：Lattice公司提出在系統(tǒng)可編程技術，并推出一系列具有ISP能力的C

2、PLD20世紀90年代后：可編程邏輯器件技術進入飛速發(fā)展時期，并出現(xiàn)了內嵌復雜功能模塊（如加法器、乘法器、RAM、CPU核、DSP核、PLL等）的SOPC1 1、采用、采用TTLTTL(Transistor-Transistor Logic)(Transistor-Transistor Logic)邏輯進行數(shù)字設邏輯進行數(shù)字設計計要完成一個數(shù)字電路的邏輯設計，需要以下幾個步驟。(1) 根據邏輯功能建立真值表； (2) 根據真值表建立邏輯函數(shù)表達式。也可以采用卡諾圖的形式來進行邏輯表達式的化簡； (3) 根據邏輯函數(shù)表達式，畫出電路圖，確定所需的元器件； (4) 在面包板或者印制電路板上，用銅線

3、連接分立元件，實現(xiàn)邏輯功能。一、從一、從TTLTTL到可編程邏輯到可編程邏輯一、從一、從TTLTTL到可編程邏輯到可編程邏輯舉例：舉例：設計一個設計一個4 4人表決器，如果有人表決器，如果有2 2人或以上同意，則人或以上同意，則表決通過。同意為表決通過。同意為1 1，不同意為，不同意為0 0。真值表真值表卡諾圖卡諾圖一、從一、從TTLTTL到可編程邏輯（續(xù)到可編程邏輯（續(xù)1 1）邏輯表達式邏輯表達式電路結構電路結構F=AB+CD+BD+AD+BC+ACF=ABCDBDADBCAC一、從一、從TTLTTL到可編程邏輯（續(xù)到可編程邏輯（續(xù)2 2）總結：總結： 任何組合邏輯函數(shù)都可以化為任何組合邏輯

4、函數(shù)都可以化為“與與- -或或”表達式，表達式，即任何組合邏輯電路都可以用即任何組合邏輯電路都可以用與門與門- -或門或門的二級電的二級電路實現(xiàn)。路實現(xiàn)。 任何時序電路都可以在組合電路的基礎上加上任何時序電路都可以在組合電路的基礎上加上存存儲元件儲元件構成，如：觸發(fā)器、構成，如：觸發(fā)器、RAMRAM等。等。思考新的方法：思考新的方法： 如果把與門、或門、存儲器組合到一個器件中，并且有固如果把與門、或門、存儲器組合到一個器件中，并且有固定的連接會怎么樣呢？定的連接會怎么樣呢？一、從一、從TTLTTL到可編程邏輯（續(xù)到可編程邏輯（續(xù)3 3）2 2、基本、基本PLDPLD器件的原理器件的原理輸入輸入

5、緩沖緩沖電路電路與與陣陣列列輸出輸出緩沖緩沖 電路電路輸輸入入輸輸出出或或陣陣列列在講解可編程邏輯器件基本結構前，先了解邏輯元件的表示方式。表2-2給出了兩種標準所表示的邏輯符號。3 3、邏輯元件符號表示、邏輯元件符號表示一、從一、從TTLTTL到可編程邏輯（續(xù)到可編程邏輯（續(xù)3 3）ANSI美國國家標準局, IEEE電氣電子工程師協(xié)會一、從一、從TTLTTL到可編程邏輯（續(xù)到可編程邏輯（續(xù)4 4）3 3、邏輯元件符號表示、邏輯元件符號表示PLD緩沖電路緩沖電路PLD中與陣列中與陣列PLD中或陣列中或陣列PLD中陣列連線中陣列連線固定連接可編程連接未連接一、從一、從TTLTTL到可編程邏輯（續(xù)

6、到可編程邏輯（續(xù)5 5）4 4、簡單陣列的表示、簡單陣列的表示I1I2I3I1I2I3F=I1I2I3+I1I2I3二、二、PLDPLD的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史三、三、PLDPLD的分類的分類1 1、按集成度分、按集成度分三、三、PLDPLD的分類（續(xù)的分類（續(xù)1 1）2 2、按編程工藝分、按編程工藝分熔絲型、反熔絲型：熔絲型、反熔絲型：PROMPROM、PLAPLA、PALPALEPROMEPROM型型: :EEPROMEEPROM型型:GAL:GAL、CPLDCPLDSRAMSRAM型：型：FPGAFPGAFlashFlash型型:FPGA:FPGA3 3、按結構分、按結構分乘積項結構：即與或

7、陣列乘積項結構：即與或陣列查找表結構：采用查找表結構：采用RAMRAM數(shù)據查找的方式數(shù)據查找的方式四、四、PROMPROM結構原理結構原理1 1、PROMPROM基本結構基本結構N N條地址線，地址譯碼器用于完成條地址線，地址譯碼器用于完成PROMPROM存貯陣列的行選擇存貯陣列的行選擇W0=An-1A1A0W0=An-1A1A0W1=An-1A1A0W1=An-1A1A0Wp-1=An-1A1A0Wp-1=An-1A1A0 P=2n四、四、PROMPROM結構原理（續(xù)結構原理（續(xù)1 1）一個簡單存儲器數(shù)據陣列一個簡單存儲器數(shù)據陣列W0=A0A1A2W7=A0 A1 A2D0=0W0+1W1+

8、1W2+1W3+0W4+0W5+0W6+0W7D1=0W0+0W1+1W2+1W3+0W4+1W5+1W6+1W7四、四、PROMPROM結構原理（續(xù)結構原理（續(xù)2 2）存儲單元陣列的輸出存儲單元陣列的輸出F F0 0=M=Mp-1p-1，0 0WWp-1p-1+M+M1,01,0WW1 1+M+M0,00,0WW0 0F F1 1=M=Mp-1p-1，1 1WWp-1p-1+M+M1,11,1WW1 1+M+M0,10,1WW0 0F Fm-1m-1=M=Mp-1p-1，m-1m-1WWp-1p-1+M+M1,m-11,m-1WW1 1+M+M0,m-10,m-1WW0 0四、四、PROMP

9、ROM結構原理（續(xù)結構原理（續(xù)3 3）2 2、PROMPROM的的PLDPLD陣列圖陣列圖二進制半加器二進制半加器F1=A1 A0F0=A1 A0+A1A042PROM四、四、PROMPROM結構原理（續(xù)結構原理（續(xù)4 4）3 3、缺點、缺點只能用于組合電路只能用于組合電路增加輸入變量，存貯單元利用效率低（增加輸入變量，存貯單元利用效率低（存儲單元按存儲單元按照照2 2的冪次增加）的冪次增加）一般采用熔絲工藝，一次編程一般采用熔絲工藝，一次編程五、五、PLAPLA結構原理結構原理1 1、PLAPLA基本結構基本結構與陣列、或陣列均可編程，極大緩解了與陣列、或陣列均可編程，極大緩解了PROMPR

10、OM隨著輸隨著輸入變量增加，規(guī)模迅速增加的問題。入變量增加，規(guī)模迅速增加的問題。2 2、缺點、缺點需要邏輯函數(shù)的與或最簡表達式，對于多輸入、多輸出函數(shù)，需要邏輯函數(shù)的與或最簡表達式，對于多輸入、多輸出函數(shù)，需要提取公共與項，設計算法復雜；需要提取公共與項，設計算法復雜；與或陣列均可編程，器件運行速度下降與或陣列均可編程，器件運行速度下降一次可編程一次可編程六、六、PALPAL基本結構原理基本結構原理1 1、PALPAL基本結構基本結構2 2、缺點、缺點一次可編程一次可編程I/OI/O結構繁多，種類豐富，使用不便結構繁多，種類豐富，使用不便與陣列可編程、或陣列固定，使輸出邏輯函數(shù)化簡與陣列可編程

11、、或陣列固定，使輸出邏輯函數(shù)化簡算法簡化。算法簡化。七、七、GALGAL結構原理結構原理1 1、GALGAL基本結構基本結構與陣列可編程、或陣列固定與陣列可編程、或陣列固定增加輸出邏輯宏單元增加輸出邏輯宏單元OLMCOLMC（Output Logic Macro CellOutput Logic Macro Cell）采用采用EEPROMEEPROM工藝工藝207190 34 7812111516192023242728311381518OLMCOLMC41623175243116OLMCOLMC63239157404714OLMCOLMC84855139566312OLMCOLMC11I/C

12、LKIIIIIIIII/OEI/O/QI/O/QI/O/QI/O/QI/O/QI/O/QI/O/QI/O/QCLKOE七、七、GALGAL結構原理結構原理( (續(xù)續(xù)1) 1)2 2、OLMCOLMC工作模式工作模式靈活配置不同模式，實現(xiàn)不同輸入、輸出功能靈活配置不同模式，實現(xiàn)不同輸入、輸出功能七、七、GALGAL結構原理結構原理( (續(xù)續(xù)2) 2)寄存器模式寄存器模式寄存器輸出結構寄存器輸出結構組合輸出雙向結構組合輸出雙向結構七、七、GALGAL結構原理結構原理( (續(xù)續(xù)3) 3)復合模式復合模式組合輸出雙向結構組合輸出雙向結構組合輸出結構組合輸出結構七、七、GALGAL結構原理結構原理( (

13、續(xù)續(xù)4) 4)簡單模式簡單模式反饋輸入結構反饋輸入結構輸出反饋結構輸出反饋結構簡單模式輸出結構簡單模式輸出結構八、八、CPLDCPLD的結構原理的結構原理1 1、CPLDCPLD基本結構基本結構邏輯陣列塊邏輯陣列塊LABLAB（L Logic ogic ArArray ray B Blocklock）可編程連線陣列可編程連線陣列PIAPIA（P Programmable rogrammable I Interconnect nterconnect A Arrayrray） 全局總線，把器件中的任何信號連接到其目的地全局總線，把器件中的任何信號連接到其目的地I/OI/O控制模塊控制模塊 允許每個

14、允許每個I/OI/O引腳被單獨配置為輸入、輸出或者雙向工作引腳被單獨配置為輸入、輸出或者雙向工作方式。方式。 通過三態(tài)緩沖器來控制通過三態(tài)緩沖器來控制八、八、CPLDCPLD的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)1 1）邏輯陣列塊邏輯陣列塊LABLAB由多個宏單元由多個宏單元LMC(Logic Macro Cell)LMC(Logic Macro Cell)組成（組成（420420個）個）八、八、CPLDCPLD的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)2 2）2 2、CPLDCPLD的特點的特點工藝：工藝：EEPROMEEPROM、FlashFlash，掉電數(shù)據不丟失，掉電數(shù)據不丟失規(guī)模：規(guī)模：集成度相對集成度相對

15、FPGAFPGA小，多用于小，多用于2 2萬門規(guī)模以下的設計萬門規(guī)模以下的設計時延：時延：可預測可預測適用范圍：適用范圍：組合邏輯電路，即觸發(fā)器資源有限而乘積項豐富的結構組合邏輯電路，即觸發(fā)器資源有限而乘積項豐富的結構九、九、FPGAFPGA的結構原理的結構原理1 1、從、從CPLDCPLD到到FPGAFPGAFPGA陣列型結構陣列型結構九、九、FPGAFPGA的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)1 1）2 2、FPGAFPGA基本結構基本結構行互聯(lián)行互聯(lián)列互聯(lián)列互聯(lián)分段互聯(lián)分段互聯(lián)九、九、FPGAFPGA的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)2 2）邏輯陣列塊邏輯陣列塊LABLAB由邏輯單元由邏輯單元LE構成

16、構成九、九、FPGAFPGA的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)3 3）查找表查找表LUT(LUT(L Look ook U Up p T Table)able) 替代乘積項陣列替代乘積項陣列查找表LUT輸入1輸入2輸入3輸入4輸出16 1RAMABCD 查找表(LUT，Look Up Table)是一個1 bit的存儲單元陣列;一個有k個輸入的LUT對應著2的k次方bit的SRAM單元;對于任意的k個輸入的組合邏輯，都可以通過將邏輯函數(shù)的真值表寫入對應的存儲單元中實現(xiàn)。例如，一個有4個輸入的LUT對應著16 bit存儲單元。 當用戶通過原理圖或硬件語言描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會自動計

17、算邏輯電路的所有可能的結果，并把結果事先寫入RAM。這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容。九、九、FPGAFPGA的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)4 4）可編程寄存器可編程寄存器RegReg輸出反饋回輸出反饋回LUTLUT，產生更復雜邏輯，產生更復雜邏輯旁路寄存器，產生嚴格的組合邏輯功能旁路寄存器，產生嚴格的組合邏輯功能旁路旁路LUTLUT，使用寄存器存儲功能，使用寄存器存儲功能九、九、FPGAFPGA的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)5 5）形象解釋形象解釋LABLAB與與LELE從Chip Planner芯片規(guī)劃器中調出深色的單深色的單元表示該元表示該LAB

18、被設被設計占用計占用一個未使一個未使用的用的LAB一個一個LE九、九、FPGAFPGA的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)6 6）自適應邏輯模塊自適應邏輯模塊ALMALM（A Adapting dapting L Logic ogic MModuleodule）基于原基于原LELE做了某些改進，提高性能和資源利用率做了某些改進，提高性能和資源利用率包含兩個寄存器包含兩個寄存器內置硬件加法器模塊等內置硬件加法器模塊等LUTLUT是自適應是自適應LUTLUT，即，即ALUTALUTLUTLUTLUTLUT九、九、FPGAFPGA的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)7 7）3 3、FPGAFPGA其他重要模塊其他重

19、要模塊存儲器模塊存儲器模塊可替代可替代LABLAB邏輯邏輯嵌入式乘法器嵌入式乘法器適用于適用于DSPDSP，能夠進行高性能的乘法、加法、累加操作，能夠進行高性能的乘法、加法、累加操作高速收發(fā)器高速收發(fā)器支持高速協(xié)議，用于通信和網絡設備中支持高速協(xié)議，用于通信和網絡設備中九、九、FPGAFPGA的結構原理（續(xù)的結構原理（續(xù)8 8）4 4、CPLDCPLD與與FPGAFPGA的區(qū)別的區(qū)別CPLDFPGA組合邏輯的實現(xiàn)方法組合邏輯的實現(xiàn)方法乘積項乘積項查找表查找表編程工藝編程工藝EEPROM、FlashSARM是否需要配置器件是否需要配置器件不需要不需要需要需要集成度集成度小小中規(guī)模中規(guī)模中中大規(guī)模

20、大規(guī)模高速通信高速通信N/A某些器件為很多協(xié)某些器件為很多協(xié)議提供收發(fā)器支持議提供收發(fā)器支持延時預測延時預測可預測可預測不可預測不可預測應用范圍應用范圍組合邏輯、算法控制，組合邏輯、算法控制，即觸發(fā)器有限而乘積項即觸發(fā)器有限而乘積項豐富的結構豐富的結構時序邏輯，即觸發(fā)時序邏輯，即觸發(fā)器豐富的結構器豐富的結構十、硬件測試技術（續(xù)十、硬件測試技術（續(xù)1 1）2 2、JTAG BSTJTAG BST工作原理工作原理TCK:測試時鐘輸入端測試時鐘輸入端TDI:測試數(shù)據輸入，在測試數(shù)據輸入，在TCK的上升的上升沿移入沿移入TDO:測試數(shù)據輸出，在測試數(shù)據輸出，在TCK的下降的下降沿移入沿移入TRST:測

21、試復位，低電平有效，異測試復位，低電平有效，異步復位步復位TMS:測試模式選擇，負責測試模式選擇，負責TAP控制控制器的轉換，器的轉換，TAP控制器的命令模式控制器的命令模式有有5類類TAP控制器：測試訪問端口控制器控制器：測試訪問端口控制器 Test Access Port十、硬件測試技術（續(xù)十、硬件測試技術（續(xù)2 2）TAP控制器命令模式：控制器命令模式：SAMPLE/PRELOAD：在不中斷器件正常工作的情況下：在不中斷器件正常工作的情況下，捕獲器件的內部數(shù)據，捕獲器件的內部數(shù)據EXTEST：校驗器件之間的外部引腳連線：校驗器件之間的外部引腳連線BYPASS：數(shù)據信號在時鐘：數(shù)據信號在時

22、鐘TCK上升沿從上升沿從TDI進入旁路寄進入旁路寄存器，并在同一時鐘下降沿從存器，并在同一時鐘下降沿從TDO輸出輸出IDCODE：標識：標識IEEE Std 1149.1鏈中的器件鏈中的器件USERCODE：標識：標識IEEE Std 1149.1鏈中用戶電子標鏈中用戶電子標簽簽旁路寄存器：旁路寄存器：1位寄存器，提供不測試時位寄存器，提供不測試時TDI和和TDO的最小串行通道的最小串行通道邊界掃描寄存器：由邊界掃描寄存器：由3位周邊單元組成，串行移位寄存器位周邊單元組成，串行移位寄存器十、硬件測試技術（續(xù)十、硬件測試技術（續(xù)3 3）3 3、JTAGJTAG端口的應用（端口的應用（5 5腳）腳

23、）嵌入式邏輯分析儀嵌入式邏輯分析儀：在不影響硬件正常工作時，獲得：在不影響硬件正常工作時，獲得在線調試數(shù)據在線調試數(shù)據例：波形發(fā)生器設計例：波形發(fā)生器設計傳統(tǒng)方法：需要傳統(tǒng)方法：需要DA轉化，然后用示波器觀察轉化，然后用示波器觀察JTAG：Quartus SignalTab嵌入式邏輯分析儀嵌入式邏輯分析儀十一、十一、CPLD/FPGACPLD/FPGA的編程與配置的編程與配置1 1、定義、定義把設計代碼送入芯片的過程（或操作）稱為對把設計代碼送入芯片的過程（或操作）稱為對CPLDCPLD的的編程編程，對，對FPGAFPGA的的配置配置。經過編程的經過編程的CPLDCPLD（經過配置的（經過配置

24、的FPGAFPGA）芯片，就成為具有用）芯片，就成為具有用戶需要功能的專用電子系統(tǒng)。戶需要功能的專用電子系統(tǒng)。2 2、器件編程配置的分類、器件編程配置的分類按計算機接口劃分按計算機接口劃分串口下載串口下載 （MasterBlaster MasterBlaster ）并口下載并口下載 （ByteBlaster ByteBlaster 、 ByteBlasterByteBlaster MVMV、ByteBlasterByteBlaster ）USBUSB接口下載（接口下載（USB BlasterUSB Blaster）十一、十一、CPLD/FPGACPLD/FPGA的編程與配置（的編程與配置（1

25、1）按器件在編程配置過程中的狀態(tài)劃分：按器件在編程配置過程中的狀態(tài)劃分：主動配置主動配置：由器件引導配置操作過程，控制外部存儲器和：由器件引導配置操作過程，控制外部存儲器和初始化過程。初始化過程。 FPGAFPGA主動從外圍專用的存儲芯片中獲得配置數(shù)據。主動從外圍專用的存儲芯片中獲得配置數(shù)據。被動配置被動配置：由外部計算機或者控制器控制配置過程。：由外部計算機或者控制器控制配置過程。 如在實驗系統(tǒng)中，每次加電時，由計算機進行下載。如在實驗系統(tǒng)中，每次加電時，由計算機進行下載。十一、十一、CPLD/FPGACPLD/FPGA的編程與配置（的編程與配置（2 2）3 3、CPLDCPLD編程編程兩種

26、編程方案：兩種編程方案：ISPISP（在系統(tǒng)可編程）接口（在系統(tǒng)可編程）接口、JTAGJTAG接口接口JTAGJTAG接口優(yōu)點：既作為接口優(yōu)點：既作為BSTBST接口，也作為編程接口，省去接口，也作為編程接口，省去專用編程接口，有利于接口的統(tǒng)一。專用編程接口，有利于接口的統(tǒng)一。n 減少對器件的觸減少對器件的觸摸和損傷摸和損傷n 不計較器件的封不計較器件的封裝形式裝形式n 樣機制造方便樣機制造方便n 支持生產和測試流支持生產和測試流程中的修改程中的修改n 允許現(xiàn)場硬件升級允許現(xiàn)場硬件升級n 迅速方便地提升功迅速方便地提升功能能未編程前先焊接安裝未編程前先焊接安裝系統(tǒng)內編程系統(tǒng)內編程-ISP在系統(tǒng)

27、現(xiàn)場重編程修改在系統(tǒng)現(xiàn)場重編程修改十一、十一、CPLD/FPGACPLD/FPGA的編程與配置（的編程與配置（3 3）4 4、FPGAFPGA配置配置幾種配置模式：幾種配置模式：ASAS（Active SerialActive Serial）模式：針對）模式：針對EPCSEPCS系列配置器件系列配置器件主動配置主動配置模式：針對模式：針對EPCEPC器件進行配置器件進行配置PSPS（Passive SerialPassive Serial）模式）模式PSAPSA(Passive Serial Asynchronous)(Passive Serial Asynchronous)模式模式PPSPP

28、S(Passive Parallel Synchronous)(Passive Parallel Synchronous)模式模式PPAPPA(Passive Parallel Asynchonous)(Passive Parallel Asynchonous)模式模式JTAGJTAG模式：既可用于配置器件也可用于配置模式：既可用于配置器件也可用于配置FPGAFPGA ?Look Up Table十一、十一、CPLD/FPGACPLD/FPGA的編程與配置（的編程與配置（4 4）I/O，作為單個配置器件或配置器件級聯(lián)時的第一個器件時，為時鐘輸出串行數(shù)據輸出輸出使能和復位，高電平有效片選輸入、低

29、電平有效十一、十一、CPLD/FPGACPLD/FPGA的編程與配置（的編程與配置（5 5）時鐘輸出時鐘輸入級聯(lián)選擇輸出，當計數(shù)器達到最大值時，輸出低十一、十一、CPLD/FPGACPLD/FPGA的編程與配置（的編程與配置（6 6）其他配置方式：其他配置方式：使用單片機配置使用單片機配置 多任務電路結構重配置，在單片機的多任務電路結構重配置，在單片機的ROMROM內按不同地址內按不同地址放置多個針對不同功能要求設計好的放置多個針對不同功能要求設計好的FPGAFPGA配置文件。配置文件。缺點：速度慢缺點：速度慢 容量小容量小 體積大體積大使用使用CPLDCPLD配置配置十二、主要十二、主要PLDPLD產品產品1 1、概述、概述50.3%33.1%6.4%全球全球PLD/FPGAPLD/FPGA產品產品60%60%以上以上由由XilinxXilinx和和AlteraAltera提供，共同決提供，共同決定了定了PLDPLD技術的發(fā)展方向技術的發(fā)展方向歐洲，歐洲，Xilinx占有率更高占有率更高亞太，亞太，Altera占有率較高占有率較高美國，平分秋色美國，平分秋色10