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1、第2章 大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?.1 可編程邏輯器件概述 2.5 CPLD和FPGA的編程與配置 2.6 FPGA和CPLD的開發(fā)應(yīng)用選擇 2.1 可編程邏輯器件概述2.1.1 PLD的發(fā)展進程20世紀70年代初，主要是可編程只讀存儲器(PROM)和可編程邏輯陣列(PLA)。20世紀70年代末出現(xiàn)了可編程陣列邏輯(Programmable Array Logic，簡稱PAL)器件。 20世紀80年代初期，美國Lattice公司推出了一種新型的PLD器件，稱為通用陣列邏輯(Generic Array Logic，簡稱GAL)，一般認為它是第二代PLD器件。隨著技術(shù)進步，生產(chǎn)工藝不斷改進，器件規(guī)模不

2、斷擴大，邏輯功能不斷增強，如PROM、EPROM、EEPROM等。 1985年，美國Altera公司在EPROM和GAL器件的基礎(chǔ)上，首先推出了可擦除可編程邏輯器件EPLD(Erasable PLD)，其基本結(jié)構(gòu)與PAL/GAL器件相仿，但其集成度要比GAL器件高得多。 Altera、Atmel、Xilinx等公司不斷推出新的EPLD產(chǎn)品，它們的工藝不盡相同，結(jié)構(gòu)不斷改進，形成了一個龐大的群體。但是從廣義來講，可擦除可編程邏輯器件(EPLD)可以包括GAL、EEPROM、FPGA、ispLSI或ispEPLD等器件。 最初，一般把器件的可用門數(shù)超過500門的PLD稱為EPLD。后來，器件的密度

3、越來越大，許多公司把原來稱為EPLD的產(chǎn)品都稱為復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Devices)?，F(xiàn)在，一般把所有超過某一集成度的PLD器件都稱為CPLD。規(guī)模已從取代PAL和GAL的500門以下的芯片系列，發(fā)展到5000門以上，現(xiàn)已有上百萬門的CPLD芯片系列。 在系統(tǒng)可編程的概念，首先由美國的Lattice公司提出，而且，該公司已將其獨特的ISP技術(shù)應(yīng)用到高密度可編程邏輯器件中，形成了ispLSI(in system programmable Large Scale Integration，在系統(tǒng)可編程大規(guī)模集成)和pLSI(可編程大規(guī)模集

4、成)邏輯器件系列。 其系統(tǒng)速度可達154 MHz，邏輯集成度可達100014 000門，是一種比較先進的可編程專用集成電路。2.1.2 PLD的分類方法 1從結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度分類從結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度上一般可將PLD分為簡單PLD和復(fù)雜PLD(CPLD)，或分為低密度PLD和高密度PLD(HDPLD)。 通常，當PLD中的等效門數(shù)超過500門時，則認為它是高密度PLD。傳統(tǒng)的PAL和GAL是典型的低密度PLD，其余(如EPLD、FPGA和pLSI/ispLSI等)則稱為HDPLD或CPLD。 2從互連結(jié)構(gòu)上分類從互連結(jié)構(gòu)上可將PLD分為確定型和統(tǒng)計型兩類。確定型PLD提供的互連結(jié)構(gòu)每次用相同的互連線實現(xiàn)布

5、線，所以，這類PLD的定時特性常常可以從數(shù)據(jù)手冊上查閱而事先確定。這類PLD是由PROM 結(jié)構(gòu)演變而來的，目前除了FPGA器件外，基本上都屬于這一類結(jié)構(gòu)。統(tǒng)計型結(jié)構(gòu)是指設(shè)計系統(tǒng)每次執(zhí)行相同的功能，卻能給出不同的布線模式，一般無法確切地預(yù)知線路的延時。所以，設(shè)計系統(tǒng)必須允許設(shè)計者提出約束條件，如關(guān)鍵路徑的延時和關(guān)聯(lián)信號的延時差等。這類器件的典型代表是FPGA系列。 3從可編程特性上分類從可編程特性上可將PLD分為一次可編程和重復(fù)可編程兩類。一次可編程的典型產(chǎn)品是PROM、PAL和熔絲型FPGA，其他大多是重復(fù)可編程的。其中，用紫外線擦除的產(chǎn)品的編程次數(shù)一般在幾十次的量級，采用電擦除方式的產(chǎn)品的編

6、程次數(shù)稍多些，采用E2CMOS工藝的產(chǎn)品，擦寫次數(shù)可達上千次，而采用SRAM(靜態(tài)隨機存取存儲器)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，則被認為可實現(xiàn)無限次的編程。 4從可編程元件上分類最早的PLD器件(如PAL)大多采用的是TTL工藝，但后來的PLD器件(如GAL、EPLD、FPGA及pLSI/ISP器件)都采用MOS工藝(如NMOS、CMOS、E2CMOS等)。目前，一般有五種編程元件： 熔絲型開關(guān)(一次可編程，要求大電流)； 可編程低阻電路元件(多次可編程，要求中電壓)； EPROM的編程元件(需要有石英窗口，紫外線擦除)； EEPROM的編程元件； 基于SRAM的編程元件。 2.1.3 常用CPLD 和FPGA標

7、識的含義1CPLD和FPGA標識概說CPLD/ FPGA 產(chǎn)品上的標識大概可分為以下幾類：(1) 用于說明生產(chǎn)廠家的。如Lattice、Altera、Xilinx是其公司名稱。(2) 注冊商標。如MAX是為Altera公司其CPLD產(chǎn)品MAX系列注冊的商標。(3) 產(chǎn)品型號。如EPM7128SLC84-15，是Altera公司的一種CPLD(EPLD)的型號，是需要重點掌握的。(4) 產(chǎn)品序列號。用于說明產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的編號，是產(chǎn)品身份的標志，相當于人的身份證。(5) 產(chǎn)地與其他說明。由于跨國公司跨國經(jīng)營，世界日益全球化，有些產(chǎn)品還有產(chǎn)地說明，如：Made in China(中國制造)。 2C

8、PLD/FPGA產(chǎn)品型號標識組成CPLD/FPGA產(chǎn)品型號標識通常由以下幾部分組成：(1) 產(chǎn)品系列代碼。如Altera公司的FLEX器件系列代碼為EPF。(2) 品種代碼。如Altera公司的FLEX10K，10K即是其品種代碼。(3) 特征代碼。也即集成度，CPLD產(chǎn)品一般以邏輯宏單元數(shù)描述，而FPGA一般以有效邏輯門來描述。如Altera公司的EPF10K10中后一個10，代表典型產(chǎn)品集成度是10k。要注意有效門與可用門不同。 (4) 封裝代碼。 如Altera公司的EPM7128SLC84中的LC，表示采用PLCC封裝(Plastic Leaded Chip Carrier，塑料方形扁

9、平封裝)。PLD封裝除PLCC外，還有BGA(Ball Grid Array，球形網(wǎng)狀陣列)、C/JLCC(Ceramic /J-Leaded Chip Carrier,)、C/M/P/TQFP(Ceramic/Metal/Plastic/Thin Quard Flat Package)、PDIP/DIP(Plastic Double In line Package)、PGA(Ceramic Pin Grid Array)等，多以其縮寫來描述，但要注意各公司稍有差別，如PLCC，Altera公司用LC描述，Xilinx公司用PC描述，Lattice公司用J來描述。 (5) 參數(shù)說明。如Alte

10、ra公司的EPM7128SLC84中的LC84-15，84代表有84個引腳，15代表速度等級為15ns(注意該等級的含義各公司有所不同)。也有的產(chǎn)品直接用系統(tǒng)頻率來表示速度，如ispLSI1016-60，60代表最大頻率60MHz。(6) 改進型描述。一般產(chǎn)品設(shè)計都在后續(xù)進行改進設(shè)計，改進設(shè)計型號一般在原型號后用字母表示，如A、B、C等按先后順序編號，有些不按A、B、C先后順序編號，則有特定的含義，如D表示低成本型(Down)，E表示增強型(Ehanced)，L表示低功耗型(Low)，H表示高引腳型(High)，X表示擴展型(eXtended)等。 (7) 適用的環(huán)境等級描述。一般在型號最后以

11、字母描述，C(Commercial)表示商用級(085)，I(Industrial)表示工業(yè)級(-40100)，M(Material)表示軍工級(-55125)。(8) 附加后綴。如ES：Engineering sample；N: Lead-free devices。 3幾種典型產(chǎn)品型號1) Lattice公司CPLD和FPGA系列器件Lattice公司的CPLD產(chǎn)品以其發(fā)明的isp開頭，系列有ispLSI、ispMACH、ispPAC及新開發(fā)的ispXPGA、ispXPLD等。其中，ispPAC為模擬可編程器件，除ispLSI、ispMACH4A系列外，型號編排時CPLD產(chǎn)品以LC開頭；FP

12、GA產(chǎn)品以LF開頭(MachXO系列除外)；SC系列以LFSC開頭；EC系列以EC開頭。典型產(chǎn)品型號含義如下： ispLSI1016-60：ispLSI1000系列CPLD，通用邏輯塊GLB數(shù)(只1000系列以此為特征)為16個，工作頻率最大為60MHz。 ispLSI1032E-125 LJ：ispLSI1000E系列CPLD，通用邏輯塊GLB數(shù)為32個(相當邏輯宏單元數(shù)128)，工作頻率最大為125MHz，PLCC84封裝，低電壓型商用產(chǎn)品。M4A5-256/128-7YC：5V ispMACH4A系列CPLD，邏輯宏單元數(shù)為256個，引腳間延遲為7.5ns，PQFP208封裝，適用溫度范

13、圍為商用級(070)。LC4032ZE-4TN100C：ispMACH4000ZE系列CPLD，邏輯宏單元數(shù)為32個，引腳間延遲為4.4 ns，無鉛TQFP100封裝，適用溫度范圍為商用級(085)。LC5256MC-4F256C：ispXPLD 5000MC系列CPLD，邏輯宏單元數(shù)為256個，存儲器型，1.8V供電電壓，引腳間延遲為4.0ns，fpBGA256封裝，適用溫度范圍為商用級(085)。LCMXO640E-4FT256CES：MachXO系列FPGA，640個查找表，1.2V供電電壓，速度等級為4級，fpBGA256封裝，適用溫度范圍為商用級(085)，工程樣品。LFSC3GA2

14、5E-6F900C：SC系列FPGA，SERDES速度為3.8G，25k個查找表，1.2V供電電壓，速度等級為6級，fpBGA900封裝, 適用溫度范圍為商用級(085)。LFX1200EC-03F900I：ispXPGA1200E系列FPGA，典型邏輯規(guī)模是1.25M系統(tǒng)門，1.8V，速度等級為3級(注意Lattice公司的速度等級數(shù)越小，速度越慢)，fpBGA900封裝，適用溫度范圍為工業(yè)級(-40100)。 LFXP10E-4F256C：XP系列FPGA，10k個查找表，1.2V供電電壓，速度等級為4級，fpBGA256封裝，適用溫度范圍為商用級(085)。LF/products/fpg

15、a/ecp3/default.htm EC系列FPGA，20k個查找表，1.2V供電電壓，速度等級為4級，fpBGA484封裝，適用溫度范圍為商用級(085)。LFE2-50E-7F672C: ECP2系列FPGA，50k個查找表，1.2V供電電壓，速度等級為7級，fpBGA672封裝，適用溫度范圍為商用級(085)。2) Altera公司的FPGA和CPLD系列器件Altera公司的產(chǎn)品一般以EP開頭，代表可重復(fù)編程。(1) Altera公司的MAX系列CPLD產(chǎn)品和MAX系列FPGA產(chǎn)品的系列代碼為EPM。典型產(chǎn)品型號含義如下：EPM7128SLC84-15：MAX7000S系列CPLD，

16、邏輯宏單元數(shù)為128個，采用PLCC封裝，84個引腳，引腳間延時為15ns。EPM240GT100C3ES：MAX系列FPGA產(chǎn)品，邏輯單元數(shù)為240個，TQFP封裝，100個引腳，速度等級為3級，適用溫度范圍為商用級(085)，ES表示是工程樣品(Engineering sample)。 (2) Altera公司的FPGA產(chǎn)品系列代碼為EP或EPF。典型產(chǎn)品型號含義如下：EPF10K10：FLEX10K系列FPGA，典型邏輯規(guī)模是10k個有效邏輯門。EPF10K30E：FLEX10KE系列FPGA，邏輯規(guī)模是EPF10K10的3倍。EPF20K200E：APEX20KE系列FPGA，邏輯規(guī)模

17、是EPF10K10的20倍。EP1K30：ACEX1K系列FPGA，邏輯規(guī)模是EPF10K10的3倍。EP1S30：STRATIX系列FPGA，邏輯規(guī)模是EPF10K10的3倍。 EP3C25F324C7N：CYCLONE 系列FPGA，邏輯單元數(shù)為25k個，F(xiàn)BGA封裝，324個引腳，速度等級為7級，適用溫度范圍為商用級(085)，無鉛(Lead-free devices)。EP4SGX230KF40C2ES：Stratix GX系列FPGA，邏輯單元數(shù)為230k個，帶36個收發(fā)器，F(xiàn)BGA封裝，1517個引腳，速度等級為2級，適用溫度范圍為商用級(085)，工程樣品。EP1AGX20CF4

18、84C6N：Arria GX系列FPGA，邏輯單元數(shù)為20k個，帶4個收發(fā)器，F(xiàn)BGA封裝，484個引腳，速度等級為6級，適用溫度范圍為商用級(085)，無鉛。 (3) Altera公司的FPGA配置器件系列代碼為EPC。典型產(chǎn)品型號含義如下：EPC1：1型FPGA配置器件。 3) Xilinx公司的CPLD和FPGA系列器件Xilinx公司的產(chǎn)品一般以XC開頭，代表Xilinx公司的產(chǎn)品。典型產(chǎn)品型號含義如下：XC95108-7 PQ 160C：XC9500系列CPLD，邏輯宏單元數(shù)為108個，引腳間延時為7ns，采用PQFP封裝，160個引腳，商用。XC2064：XC2000系列FPGA，

19、可配置邏輯塊(Configurable Logic Block，CLB)為64個(只此型號以CLB為特征)。 XC2018：XC2000系列FPGA，典型邏輯規(guī)模是有效門1800個。XC4002A：XC4000A系列FPGA，典型邏輯規(guī)模是2k個有效門。XCS10：Spartan系列FPGA，典型邏輯規(guī)模是10k個。XCS30：Spartan系列FPGA，典型邏輯規(guī)模是XCS10的3倍。XC3S50A-4FT256C：Spartan 3A系列FPGA，典型邏輯規(guī)模是XCS10的5倍，速度等級為4級，采用FTBGA256腳封裝，適用溫度范圍為商用級(085)。XC6VLX240T-1FFG115

20、6C：Virtex-6 LX系列FPGA，典型邏輯規(guī)模是240k個，速度等級為1級，采用1156腳封裝，適用溫度范圍為商用級(085)。 2.5 CPLD和FPGA的編程與配置2.5.1 CPLD和FPGA的編程配置1編程配置的概念可編程邏輯器件在利用開發(fā)工具設(shè)計好應(yīng)用電路后，要將該應(yīng)用電路寫入PLD芯片。將應(yīng)用電路寫入PLD芯片的過程稱為編程，而對FPGA器件來講，由于其內(nèi)容在斷電后即丟失，因此稱為配置(但把應(yīng)用電路寫入FPGA的專用配置ROM仍稱為配置)。由于編程或配置一般是把數(shù)據(jù)由計算機寫入PLD芯片，因此，也叫下載。要把數(shù)據(jù)由計算機寫入PLD芯片，首先要把計算機的通信接口和PLD的編程

21、或配置引腳連接起來。一般是通過下載線和下載接口來實現(xiàn)的，也有專用的編程器。CPLD的編程主要要考慮編程下載接口及其連接，而FPGA 的配置除了考慮編程下載接口及其連接外，還要考慮配置器件問題。 2配置模式在FPGA的配置之前，首先要借助于FPGA開發(fā)系統(tǒng)，按某種文件格式要求描述設(shè)計系統(tǒng)，編譯仿真通過后，將描述文件轉(zhuǎn)換成FPGA芯片的配置數(shù)據(jù)文件。選擇一種FPGA的配置模式，將配置數(shù)據(jù)裝載到FPGA芯片內(nèi)部的可配置存儲器，F(xiàn)PGA芯片才會成為滿足要求的芯片系統(tǒng)。FPGA的配置模式是指FPGA用來完成設(shè)計時的邏輯配置和外部連接方式。邏輯配置是指，經(jīng)過用戶設(shè)計輸入并經(jīng)過開發(fā)系統(tǒng)編譯后產(chǎn)生的配置數(shù)據(jù)文

22、件，將其裝入FPGA芯片內(nèi)部的可配置存儲器的過程，簡稱FPGA的下載。只有經(jīng)過邏輯配置后，F(xiàn)PGA才能實現(xiàn)用戶需要的邏輯功能。 不同公司的配置模式有所不同，而同一公司的不同器件系列也有差異，具體配置模式應(yīng)查相關(guān)器件的數(shù)據(jù)手冊。比如Lattice公司的ECP/EC系列器件的配置模式由CFG2:0決定，包括七種配置模式： SPI主動模式； SPIX主動模式； 主動串行模式； 從動串行模式； 主動并行模式； 從動并行模式； ispJTAG模式。Altera公司基于SRAM LUT結(jié)構(gòu)器件的配置模式由芯片引腳MSEL1和MSEL0的狀態(tài)決定，包括六種配置模式： 配置器件配置模式； PS被動串行模式；

23、PPS被動并行同步模式； PPA被動并行異步模式； PSA被動串行異步模式； JTAG模式。 Xilinx公司XC2000/XC3000等系列的FPGA的配置模式由芯片引腳M0、M1和M2的狀態(tài)決定，包括六種配置模式： 主動串行配置模式； 主動并行配置模式(高)； 主動并行配置模式(低)； 從動串行配置模式； 同步外設(shè)配置模式； 異步外設(shè)配置模式。 3配置流程FPGA的配置流程如圖2.99所示，一般包括芯片的初始化、配置和啟動等幾個過程。當系統(tǒng)加電時，F(xiàn)PGA自動觸發(fā)芯片的加電/復(fù)位電路，芯片開始進行初始化操作。初始化操作包括：清除芯片內(nèi)部的可配置存儲器；檢測芯片引腳的配置狀態(tài)，判斷芯片的配置

24、模式；將輸出引腳設(shè)置成高阻狀態(tài)。FPGA芯片內(nèi)部設(shè)有延時電路，使芯片有足夠的時間完成初始化操作。在芯片的配置過程中，如果檢測到RESET的低有效信號，配置過程就會中斷，芯片初始化操作重新開始。當芯片的配置確定無誤后，開始對芯片進行配置。在配置過程中，配置數(shù)據(jù)以固定格式傳送，它以一個4位起始碼、一個24位長度計數(shù)碼和一個4位隔離碼為引導(dǎo)，接著開始進行配置數(shù)據(jù)的傳遞。配置開始后，芯片內(nèi)的一個24位二進制計數(shù)器從零開始對配置時鐘做加法計數(shù)，當計數(shù)器的值與長度計數(shù)碼的值相同時，配置過程結(jié)束。配置數(shù)據(jù)在芯片內(nèi)部以串行方式進入芯片內(nèi)的移位寄存器，進行串并轉(zhuǎn)換后再以并行方式寫入配置存儲器。在配置過程中，F(xiàn)P

25、GA自動對配置數(shù)據(jù)進行檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤，立即中斷配置過程，同時在INIT引腳輸出低電平，給出錯誤信息。 圖2.99 FPGA的配置流程 2.5.2 CPLD和FPGA 的下載接口目前可用的下載接口有專用接口和通用接口，串行接口和并行接口之分。專用接口有Lattice早期的ISP接口(ispLSI1000系列)、Altera的PS接口等；通用接口有JTAG接口。串行接口和并行接口不僅針對PC機而言，對PLD也是這樣，顯然，JTAG接口是串行接口。但在PLD內(nèi)部，數(shù)據(jù)都是串行寫入的，使用并行接口在PLD內(nèi)部數(shù)據(jù)有一個并行格式轉(zhuǎn)串行格式的過程，故串行接口和并行接口速度基本相同。Altera的ByteB

26、laster接口是一個10芯的混合接口，有PS和JTAG兩種模式，都是串行接口。接口信號排列如圖2.100所示，名稱如表2.33所示。 圖2.100 ByteBlaster接口信號排列圖 2.5.3 CPLD器件的編程電路在系統(tǒng)可編程(ISP)就是當系統(tǒng)上電并正常工作時，計算機通過系統(tǒng)中的CPLD擁有ISP接口并直接對其進行編程，器件在編程后立即進入正常工作狀態(tài)。這種CPLD編程方式的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的使用專用編程器編程方法的諸多不便。圖2.101是Altera CPLD器件的ISP編程連接圖，其中Byteblaster(MV)與計算機并口相連。MV即混合電壓的意思。 圖2.101 CPLD編

27、程下載連接圖 必須指出，Altera的MAX7000系列CPLD是采用IEEE 1149.1 JTAG接口方式對器件進行再系統(tǒng)編程的，在圖2.100中與Byteblaster的10芯接口相連的是TCK、TDO、TMS和TDI這四條JATG信號線。JTAG接口本來是用來做邊界掃描測試(BST)的，把它用作編程接口則可以省去專用的編程接口，減少系統(tǒng)的引出線。由于JTAG是工業(yè)標準的IEEE1149.1邊界掃描測試的訪問接口，用作編程功能有利于各可編程邏輯器件編程接口的統(tǒng)一。據(jù)此，便產(chǎn)生了IEEE編程標準IEEE 1532，對JTAG編程方式進行標準化統(tǒng)一。在討論JTAG BST時曾經(jīng)提過，在系統(tǒng)板

28、上的多個JTAG器件的JTAG口可以鏈接起來，形成一條JTAG鏈。同樣，對于多個支持JTAG接口ISP的CPLD器件，也可以使用JTAG鏈進行編程，當然也可以進行測試。圖2.102就用了JTAG對多個器件進行ISP在系統(tǒng)編程。 JTAG鏈使得對各個公司生產(chǎn)的不同ISP器件進行統(tǒng)一的編程成為可能。有的公司提供了相應(yīng)的軟件，如Altera的Jam Player可進行不同公司支持JTAG的ISP器件混合編程。有些早期的ISP器件，比如最早引入ISP概念的Lattice的ispLSI1000系列(新的器件支持JTAG ISP，如1000EA系列)采用專用的ISP接口，也支持多器件下載。 圖2.102

29、多CPLD芯片ISP編程連接方式 2.5.4 FPGA器件的配置電路1使用PC并行口配置FPGA對于基于SRAM查找表LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件，由于是易失性器件，沒有ISP的概念，代之以ICR(In-Circuit Reconfigurability)，即在線可重配置方式。FPGA特殊的結(jié)構(gòu)使之需要在上電后必須進行一次配置。電路可重配置是指在器件已經(jīng)配置好的情況下進行重新配置，以改變電路邏輯結(jié)構(gòu)和功能。在利用FPGA進行設(shè)計時可以利用FPGA的ICR特性，通過連接PC機的下載電纜快速地下載設(shè)計文件至FPGA進行硬件驗證。Altera的SRAM LUT結(jié)構(gòu)的器件中，F(xiàn)PGA可使用六種配置模式，這

30、些模式通過FPGA上的兩個模式選擇引腳MSEL1和MSEL0上設(shè)定的電平來決定： (1) 配置器件，如用EPC器件進行配置。(2) PS(Passive Serial，被動串行)模式：MSEL1=0、MSEL0=0。(3) PPS(Passive Parallel Synchronous，被動并行同步)模式：MSEL1=1、MSEL0=0。(4) PPA(Passive Parallel Asynchronous，被動并行異步)模式：MSEL1=1、MSEL0=1。(5) PSA(Passive Serial Asynchronous，被動串行異步)模式：MSEL1=1、MSEL0=0。(6)

31、 JTAG模式：MSEL1=0、MSEL0=0。 在這六種配置模式中，PS模式可利用PC機通過Byteblaster下載電纜對Altera器件應(yīng)用ICR。這在FPGA的設(shè)計調(diào)試時是經(jīng)常使用的。圖2.103是FLEX10K PS模式配置時序圖，其中標出了FPGA器件的三種工作狀態(tài)：配置狀態(tài)、用戶模式(正常工作狀態(tài))、初始化狀態(tài)。配置狀態(tài)是指FPGA器件正在配置的狀態(tài)，用戶I/O全部處于高阻態(tài)；用戶模式是指FPGA器件已得到配置，并處于正常工作狀態(tài)，用戶I/O在正常工作；初始化狀態(tài)是指配置已經(jīng)完成，但FPGA器件內(nèi)部資源，如寄存器還未復(fù)位完成，邏輯電路還未進入正常狀態(tài)。 圖2.103 FLEX10

32、K PS模式配置時序 當設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)比較大，需要不止一個FPGA器件時，若為每個FPGA器件都設(shè)置一個下載口顯然是不經(jīng)濟的。Altrera器件的PS模式支持多個器件進行配置。對于PC機而言，只是在軟件上加以設(shè)置支持多器件外，再通過一條ByteBlaster下載電纜即可對多個FPGA器件進行配置。圖2.104的電路給出了PC機用ByteBlaster下載電纜對多個器件進行配置的原理圖。 圖2.104 多FPGA芯片配置電路 2使用專用配置器件配置FPGA 通用PC機對FPGA進行ICR在系統(tǒng)重配置，雖然在調(diào)試時非常方便，但當數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計完畢需要正式投入使用時，在應(yīng)用現(xiàn)場(比如車間)不可能在FP

33、GA每次加電后，用一臺PC手動地去進行配置。上電后，自動加載配置對于FPGA應(yīng)用來說是必須的，F(xiàn)PGA上電自動配置，有許多解決方法，如EPROM配置、用專用配置器件配置、單片機控制配置或FlashROM配置等。這里首先介紹專用配置芯片配置。 專用配置器件通常是串行的PROM器件。大容量的PROM器件也提供并行接口，按可編程次數(shù)分為兩類：一類是OTP(一次可編程)器件；另一類是多次可編程的。比如AlterFPGA常用配置器件EPC1441和EPC1是OTP型串行PROM；EPC2是EEPROM型多次可編程串行PROM。圖2.105是Altera的EPC器件配置FPGA的時序圖；圖2.106是單個

34、配置器件配置單個FPGA的配置電路原理圖。 如圖2.105及圖2.106所示，配置器件的控制信號(如nCS、OE和DCLK等)直接與FPGA器件的控制信號相連。所有的器件不需要任何外部智能控制器就可以由配置器件進行配置。配置器件的OE和 nCS引腳控制著DATA輸出引腳的三態(tài)緩存，并控制地址計數(shù)器的使能。當OE為低電平時，配置器件復(fù)位地址計數(shù)器，DATA引腳為高阻狀態(tài)。nCS引腳控制著配置器件的輸出，如果在OE復(fù)位脈沖后，nCS始終保持高電平，計數(shù)器將被禁止，TADA引腳為高阻。當nCS置低電平后，地址計數(shù)器和DATA輸出均使能。OE再次置低電平時，不管nCS處于何種狀態(tài)，地址計數(shù)器都將復(fù)位，

35、DATA引腳置為高阻態(tài)。 圖2.106 FPGA的配置電路原理圖 值得注意的是，EPC2、EPC1和EPC1441器件不僅決定了工作方式，而且還決定了當OE為高電平時，是否使用APEX20K、FLEX10K和FLEX 6000器件規(guī)范。對于配置器件，Altera的FPGA允許多個配置器件配置單個FPGA器件，因為對于像APEX 類的器件，最大的配置器件EPC16的容量還是不夠的，因此允許多個配置器件配置多個FPGA器件，甚至同時配置不同系列的FPGA。 在實際應(yīng)用中，常常希望能隨時更新其中的內(nèi)容，但又不希望把配置器件從電路板上取下來編程。Altera的可重復(fù)編程配置器件，如EPC2就提供了在系

36、統(tǒng)編程的能力。圖2.107是EPC2的編程和配置電路。圖中，EPC2本身的編程由JTAG接口來完成，F(xiàn)PGA的配置既可由ByteBlaster(MV)進行，也可由EPC2進行，這時，ByteBlaster端口的任務(wù)是對EPC2進行ISP方式下載。 圖2.107 EPC2配置FPGA的電路原理圖 EPC2器件(圖2.107)允許通過額外的nINIT_CONF引腳對APEX器件配置進行初始化。此引腳可以和要配置器件的nCONFIG引腳相連。JTAG指令使EPC2器件將nINIT_CONF置低電平，接著將nCONFIG置低電平，然后EPC2將nINIT_CONF置高電平并開始配置。當JTAG狀態(tài)機退

37、出這個狀態(tài)時，nINIT_CONF釋放nCONFIG引腳的控制，配置過程開始初始化。APEX20、FLEX10K器件可以由EPC2、EPC1和EPC1441配置。FLEX 6000器件可以由EPC1或EPC1441配置。EPC2、EPC1和EPC1441器件將配置數(shù)據(jù)存放于EPROM中，并按照內(nèi)部晶振產(chǎn)生的時鐘頻率將數(shù)據(jù)輸出OE、nCS和DCLK引腳提供了地址計數(shù)器和三態(tài)緩存的控制信號。配置器件將配置數(shù)據(jù)按串行的比特流由DATA引腳輸出。一個EPC1441器件可以配置EPF10K10或EPF10K20器件。 當配置數(shù)據(jù)大于單個EPC2或EPC1器件的容量時，可以級連使用多個此類器件(EPC14

38、41不支持級連)。在這種情況下，由nCASC和nCS引腳提供各個器件間的握手信號。當使用級連的EPC2和EPC1器件來配置APEX和FLEX器件時，級連鏈中配置器件的位置決定了它的操作。當配置器件鏈中的第一個器件或主器件加電或復(fù)位時，nCS置低電平，主器件控制配置過程。在配置期間，主器件為所有的APEX和FLEX器件以及后序的配置器件提供時鐘脈沖。在多器件配置過程中，主配置器件也提供了第一個數(shù)據(jù)流。在主配置器件配置完畢后，它將nCASC置低電平，同時將第一個從配置器件的nCS引腳置低電平。這樣就選中了該器件，并開始向其發(fā)送配置數(shù)據(jù)。多個配置器件同樣可以為多個器件進行配置。 3使用單片機配置FP

39、GA在FPGA實際應(yīng)用中，設(shè)計的保密和設(shè)計的可升級是十分重要的。用單片機來配置FPGA可以較好地解決上述兩個問題。對于單片機配置FPGA器件，Altera的基于SRAM LUT的FPGA提供了多種配置模式，除以上多次提及的PS模式可以用單片機配置外，PPS被動并行同步模式、PSA被動串行異步模式、PPA被動并行異步模式和JTAG模式都能適用于單片機配置。用單片機配置FPGA器件，關(guān)鍵在于產(chǎn)生合適的時序。由于篇幅限制，這里僅對兩種模式進行介紹。圖2.108是單片機用PPS模式配置FPGA器件的電路。圖中的單片機可以選用常見的單片機，如MCS51系列、MCS96系列、AVR系列等；圖中的ROM可以

40、用EPROM或者Flash ROM，配置的數(shù)據(jù)就放置在器件內(nèi)。單片機在這里只起產(chǎn)生配置時序的作用。PPS模式需要的時序可參見圖2.109。 圖2.108 單片機用PPS模式配置FPGA電路 圖2.109 單片機使用PPS模式配置時序 有時出于設(shè)計保密、減少芯片的使用數(shù)等考慮，對于配置器件容量不大的情況下，把配置數(shù)據(jù)也置于單片機的程序存儲區(qū)。圖2.110就是一個典型的應(yīng)用示例。圖中的單片機采用常見的89C52，F(xiàn)LEX10K的配置模式選為PS模式。由于89C52的程序存儲器是內(nèi)建于芯片的FlashROM，設(shè)計的保密性較好，還有很大的擴展余地。如果把圖中的“其他功能模塊”換成無線接收模塊，還可以實

41、現(xiàn)系統(tǒng)的無線升級。 圖2.110 用89C52進行配置 利用單片機或CPLD對FPGA進行配置，除了可以取代昂貴的專用OTP配置ROM外，還有許多其他實際應(yīng)用，如可對多家廠商的單片機進行仿真器設(shè)計、多功能虛擬儀器設(shè)計、多任務(wù)通信設(shè)備設(shè)計或EDA實驗系統(tǒng)設(shè)計。方法是在圖2.108中的ROM內(nèi)按不同地址放置多個針對不同功能要求設(shè)計好的FPGA的配置文件，然后由單片機接受不同的命令，以選擇不同的地址控制，從而使所需要的配置下載于FPGA中。這就是“多任務(wù)電路結(jié)構(gòu)重配置”技術(shù)。這種設(shè)計方式可以極大地提高電路系統(tǒng)的硬件功能靈活性。因為從表面上看，同一電路系統(tǒng)沒有發(fā)生任何外在結(jié)構(gòu)上的改變，但通過來自外部不

42、同的命令信號，系統(tǒng)內(nèi)部將對應(yīng)的配置信息加載于系統(tǒng)的FPGA，電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能將在瞬間發(fā)生巨大的改變，從而使單一電路系統(tǒng)具備許多不同電路結(jié)構(gòu)的功能。 2.6 FPGA和CPLD的開發(fā)應(yīng)用選擇 1器件的邏輯資源量的選擇開發(fā)一個項目，首先要考慮的是所選的器件的邏輯資源量是否滿足本系統(tǒng)的要求。由于大規(guī)模的PLD器件的應(yīng)用，大都是先將其安裝在電路板上后再設(shè)計其邏輯功能，而且在實現(xiàn)調(diào)試前很難準確確定芯片可能耗費的資源，考慮到系統(tǒng)設(shè)計完成后，有可能要增加某些新功能，以及后期硬件升級等可能性，因此，適當估測一下功能資源以確定使用什么樣的器件，對于提高產(chǎn)品的性能價格比是有好處的。Lattice、Altera

43、、Xinlinx三家PLD主流公司的產(chǎn)品都有HDPLD的特性，且有多種系列產(chǎn)品供選用。相對而言，Lattice的高密度產(chǎn)品少些，密度也較小。由于不同的PLD公司在其產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊中描述芯片邏輯資源的依據(jù)和基準不一致，所以有很大出入。例如，對于ispLSI1032E，Lattice 給出的資源是6000門，而對EPM7128S，Altera給出的資源是2500門，但實際上這兩種器件的邏輯資源是基本一樣的。 在邏輯資源中，我們不妨設(shè)定一個基準。這里以比較常用的ispLSI1032E為基準，來了解其他公司的器件的規(guī)模。大家都知道，GAL16V8有八個邏輯宏單元，每個宏單元中有一個D觸發(fā)器，它們對應(yīng)數(shù)

44、個邏輯門，可以設(shè)計一個7位二進制計數(shù)器或一個四位加法器等；而1032E有32個通用邏輯塊(GLB)，每個GLB中含四個宏單元，總共128個宏單元，若以Lattice數(shù)據(jù)手冊上給出的邏輯門數(shù)為6000計算，Altera的EPM7128S中也有128個宏單元，也應(yīng)有6000個左右的等效邏輯門；Xinlinx的XC95108和XC9536的宏單元數(shù)分別為108和36，對應(yīng)的邏輯門數(shù)應(yīng)該約為5000和6000。但應(yīng)注意，相同的宏單元數(shù)并不對應(yīng)完全相同的邏輯門數(shù)。例如，GAL20V8和GAL16V8的宏單元數(shù)都是8，其邏輯門數(shù)顯然不同。此外，隨著宏單元數(shù)的增加，芯片中的宏單元數(shù)量與對應(yīng)的等效邏輯門的數(shù)量

45、并不是成比例增加的。這是因為宏單元越多，各單元間的邏輯門能綜合利用的可能性就越大，所對應(yīng)的等效邏輯門自然就越大。例如，isp1016有16個GLB、64個宏單元、2000個邏輯門，而1032E的宏單元數(shù)為128，邏輯門數(shù)卻是其3倍。 以上的邏輯門估測僅對CPLD，對于FPGA的估測應(yīng)考慮到其結(jié)構(gòu)特點。由于FPGA的邏輯顆粒比較小，即其可布線區(qū)域是散布在所有的宏單元之間的，因此，F(xiàn)PGA對于相同的宏單元數(shù)將比CPLD對應(yīng)更多的邏輯門數(shù)。以Altera的EPF10PC84為例，它有576個宏單元，若以7128S的2500個邏輯門為基準計算，則它應(yīng)約有1萬個邏輯門，但若以1032E為基準則應(yīng)有2.7

46、萬門；再考慮其邏輯結(jié)構(gòu)的特點，則應(yīng)約有3.5 萬門。當然，這只是一般意義上的估測，器件的邏輯門數(shù)只有與具體的設(shè)計內(nèi)容相結(jié)合才有意義。實際開發(fā)中，邏輯資源的占用情況涉及的因素是很多的，大致有： (1) 硬件描述語言的選擇、描述風(fēng)格的選擇以及HDL綜合器的選擇。這些內(nèi)容涉及的問題較多，在此不宜展開。(2) 綜合和適配開關(guān)的選擇。如選擇速度優(yōu)化，則將耗用更多的資源，而若選擇資源優(yōu)化，則反之。在EDA工具上還有許多其他的優(yōu)化選擇開關(guān)，都將直接影響邏輯資源的利用率。(3) 邏輯功能單元的性質(zhì)和實現(xiàn)方法。一般情況，許多組合電路比時序電路占用的邏輯資源要大，如并行進位的加法器、比較器以及多路選擇器。 2芯片

47、速度的選擇隨著可編程邏輯器件集成技術(shù)的不斷提高，F(xiàn)PGA和CPLD的工作速度也不斷提高，pin to pin延時已達納秒級，在一般使用中，器件的工作頻率已足夠了。目前，Altera和Xilinx公司的器件標稱工作頻率最高都可超過300MHz。具體設(shè)計中應(yīng)對芯片速度的選擇有一綜合考慮，并不是速度越高越好。芯片速度的選擇應(yīng)與所設(shè)計的系統(tǒng)的最高工作速度相一致。使用了速度過高的器件將加大電路板設(shè)計的難度。這是因為器件的高速性能越好，則對外界微小毛刺信號的反映靈敏性越好，若電路處理不當，或編程前的配置選擇不當，極易使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，其中包括輸入引腳端的所謂“glitch”干擾。在單片機系統(tǒng)中，

48、電路板的布線要求并不嚴格，一般的毛刺信號干擾不會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，但對于即使最一般速度的FPGA/CPLD，這種干擾也會引起不良后果。 3器件功耗的選擇由于在線編程的需要，CPLD的工作電壓多為5 V，而FPGA的工作電壓的流行趨勢是越來越低，3.3V和2.5V低工作電壓的FPGA的使用已十分普遍。因此，在低功耗、高集成度方面，F(xiàn)PGA具有絕對的優(yōu)勢。相對而言，Xilinx公司的器件的性能較穩(wěn)定，功耗較小，用戶I/O利用率高。例如，XC3000系列器件一般只用兩個電源、兩個地，而密度大體相當?shù)腁ltera器件可能有八個電源、八個地。 4FPGA/CPLD的選擇FPGA/GPLD的選擇主要看開發(fā)

49、項目本身的需要，對于普通規(guī)模且產(chǎn)量不是很大的產(chǎn)品項目，通常使用CPLD比較好。這是因為：(1) 在中小規(guī)模范圍，CPLD價格較便宜，能直接用于系統(tǒng)。各系列的CPLD器件的邏輯規(guī)模覆蓋面屬中小規(guī)模(100050000門)，有很寬的可選范圍，上市速度快，市場風(fēng)險小。(2) 開發(fā)CPLD的EDA軟件比較容易得到，其中不少PLD公司還有條件地提供免費軟件。如Lattice的ispExpert、Synaio，Vantis的Design Director，Altera的Baseline，Xilinx的Webpack等。 (3) CPLD的結(jié)構(gòu)大多為EEPROM或Flash ROM形式，編程后即可固定下載的

50、邏輯功能，使用方便，電路簡單。(4) 目前最常用的CPLD多為在系統(tǒng)可編程的硬件器件，編程方式極為便捷。這一優(yōu)勢能保證所設(shè)計的電路系統(tǒng)隨時可通過各種方式進行硬件修改和硬件升級，且有良好的器件加密功能。Lattice公司所有的ispLSI系列、Altera公司的7000S和9000系列、Xilinx公司的XC9500系列的CPLD都擁有這些優(yōu)勢。 (5) CPLD中有專門的布線區(qū)和許多塊，無論實現(xiàn)什么樣的邏輯功能，或采用怎樣的布線方式，引腳至引腳間的信號延時幾乎是固定的，與邏輯設(shè)計無關(guān)。這種特性使得設(shè)計調(diào)試比較簡單，邏輯設(shè)計中的毛刺現(xiàn)象比較容易處理，廉價的CPLD就能獲得比較高速的性能。 FPGA的使用途徑主要有以下四個方面：(1) 直接使用。即如CPLD那樣直接用于產(chǎn)品的電路系統(tǒng)板上。在大規(guī)模和超大規(guī)模邏輯資源、低功耗與價格比值方面，F(xiàn)PGA比CPLD有更大的優(yōu)勢，但由于FPGA通常必須附帶ROM以保存軟信息，且Altera 和Xilinx的原供應(yīng)商只能提供一次性ROM，所以在規(guī)模不是很大的情況下，其電路的復(fù)雜性和價格方面略遜于CPLD，而且對于ROM的編程，要求有一臺能對FPGA的配置ROM進行燒錄的編程器。有必要時，也可以使用能進行多次編程配置的ROM。Atmel生產(chǎn)的為Xilinx和Altera的FPGA配置的兼容ROM，就有一萬次的燒錄周期。此外，用戶也能