第章第一章可編程邏輯器件簡介

引言電子設(shè)計的必由之路將是數(shù)字化，這已成為有目共睹的事實(shí)。在數(shù)字化的道路上，我國電子設(shè)計技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了許多重大的變革和飛躍。從傳統(tǒng)的應(yīng)用SSI、MSI等通用的數(shù)字電路芯片構(gòu)成電路系統(tǒng)到廣泛地應(yīng)用單片機(jī)，電子設(shè)計技術(shù)發(fā)生了一個巨大的飛躍。今天，隨著VLSI向更高層次的發(fā)展，電子產(chǎn)品市場運(yùn)作節(jié)奏的進(jìn)一步加快，電子設(shè)計技術(shù)已邁入一個全新的階段，即CPLD/FPGA在EDA基礎(chǔ)上的廣泛應(yīng)用。它在更高層次上容納了過去數(shù)字技術(shù)的優(yōu)秀部分，但在電子設(shè)計的技術(shù)操作和系統(tǒng)構(gòu)成上卻發(fā)生了質(zhì)的飛躍。CPLD/FPGA不但在邏輯實(shí)現(xiàn)上是無限的，而且可觸及硅片電路線度的物理極限，并兼有串行、并行工作方式，高速、高可靠性以及寬口徑適用性等諸方面的特點(diǎn)。不但如此，隨著EDA技術(shù)的發(fā)展和CPLD/FPGA向深亞微米領(lǐng)域的進(jìn)軍，它們與MCU、MPU、DSP、A/D、D/A、ROM和RAM等獨(dú)立器件之間的功能界限將日益模糊。特別是軟/硬件IP芯核產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，嵌入式通用與標(biāo)準(zhǔn)CPLD/FPGA器件呼之欲出，片上系統(tǒng)（SOC）已近在咫尺。同時，CPLD/FPGA還打破了軟硬件之間最后的屏障，使軟硬件工程師有了共同的語言。可以預(yù)測，未來的電子設(shè)計將是EDA的時代，而掌握EDA這門技術(shù)無疑已成為現(xiàn)代每一位電子設(shè)計工程技術(shù)人員必不可少的基本技能。本篇正是鑒于這樣的背景，介紹了可編程邏輯器件（PLD）CPLD/FPGA的結(jié)構(gòu)以及通用的硬件描述語言（VHDL），并著重介紹了Altera公司的軟件平臺MAX+PLUSII的使用和在此基礎(chǔ)上的PLD基本設(shè)計原理。維徐可編怖程邏聽輯器鴉件簡捧介牙1．陽1抱P某LD本設(shè)計專的數(shù)禽字系馳統(tǒng)的粒特點(diǎn)求可編旋程邏畝輯器視件（槽Pr腿og肥ra憤mm芬ed裙L雁og返ic蠻D喬ev報ic由e辰），真簡稱駐PL始D，寸是一飄種由回用戶殘通過并編程當(dāng)定義貼其邏夸輯功覆能，席從而虎實(shí)現(xiàn)娘各種熊設(shè)計倘要求箏的集槐成電賊路芯際片。紡它是奸70駁年代鐵發(fā)展歷起來指的新蹄型邏竊輯器宰件，掙發(fā)展贏至今超，已登相繼考出現(xiàn)污了P害RO畢M、風(fēng)EP暈RO矮M、假PL伴A、白PA票L、墊GA禿L和沈IS綢P等鵝多個看品種暈。它走的出瑞現(xiàn)對叨傳統(tǒng)匙的用俱中小丘規(guī)模當(dāng)集成土電路慣設(shè)計非數(shù)字群電路油系統(tǒng)壺產(chǎn)生濕了很型大的觸影響唐，相掛比之宿下，訊采用房PL帥D設(shè)棟計數(shù)脅字系已統(tǒng)具儲有如放下特寇點(diǎn)：障減小驅(qū)系統(tǒng)異體積佳：單勁片P木LD稅具有嗽相當(dāng)銅高的嘩密度做，能澤實(shí)現(xiàn)興的邏替輯功諷能大殊約是婆中小竹規(guī)模泊集成胞電路毀的幾預(yù)倍到悲幾十害倍，病高密聞度P擊LD貓器件搭甚至錫能大罷千倍卡。因評此，勝使用咐PL庭D器靠件能塌大量欺節(jié)省擾空間揭，減狡小設(shè)符備體音積。診增強(qiáng)弱邏輯慣設(shè)計劣的靈紋活性駐：使波用P薄LD鴉器件步設(shè)計嗽的系私統(tǒng)，靠可以圓不受喜標(biāo)準(zhǔn)咬系列砌器件余在邏壩輯功仁能上遭的限謝制。合在系執(zhí)統(tǒng)設(shè)典計、鍵系統(tǒng)抽調(diào)試較過程拌中的圖任何寫階段倍都能賠對P伶LD艦器件長的邏獵輯功哲能進(jìn)包行修禍改，尚給系抗統(tǒng)設(shè)耳計提食供了村很大剛的靈墾活性這。砌縮短證設(shè)計羞周期柏：由信于P餓LD工具有煉可編儲程特知性，神用它段來設(shè)佳計一壩個系起統(tǒng)所毀需時羊間比旺傳統(tǒng)煌方式碑大為戚縮短誤，而遲且在叉調(diào)試岔和生足產(chǎn)階尼段，濕對P恨LD奉器件際的邏冶輯進(jìn)杰行調(diào)永整十敞分簡襪便迅稻速，紋無需激重新普布線佛和更接換印坑制板陡。另提高教系統(tǒng)鏟處理德速度毀：利史用P巾LD偵的與稀或兩淘級結(jié)貴構(gòu)可道實(shí)現(xiàn)凡任何重邏輯旗功能盜，比裕用中率小規(guī)壺模器甩件所龍需的朽邏輯翁級數(shù)敲少。廢這不螺僅簡陷化了吩系統(tǒng)況設(shè)計炊，而很且減互少了蝦時延痰，提犯高了諒系統(tǒng)燈處理滾速度筐。伴降低謹(jǐn)系統(tǒng)筐成本陣：采銳用P幅LD嘩器件愚設(shè)計斯的系芹統(tǒng)，臨雖然到單片傍PL鴉D器悼件要睬比單京片中寸小規(guī)申模芯幣片貴凳得多孝，但駝由于市PL唇D集助成度塞高，礎(chǔ)而且婚測試嬌與裝兼配的鍵工作恩量大癢大減甚少，隊(duì)加上布避免毀了改防變邏鹽輯帶取來的睬重新虛設(shè)計啊和修室改等吐一系糾列問妥題，斥有效礙地降闖低了仔成本鐮。暴提高煉系統(tǒng)沈的可飼靠性經(jīng)：用立PL永D器簽件設(shè)落計的詢系統(tǒng)性減少財了芯慕片和燃印制綱板的她數(shù)量選及相盡互間看的連泛線，貌從而哈增加爺了系垮統(tǒng)的姨平均盟壽命嶺和抗皇干擾寫能力頌，提挑高系司統(tǒng)的哈可靠槽性。洗系統(tǒng)卵具有苦加密踢功能陶：某腐些P預(yù)LD掘器件舒，如殖GA暮L或賽高密鋼度的帖可編乳程邏柏輯器劈件本遣身就允具有貫加密欲功能座。設(shè)瘋計者臉在設(shè)精計時首選中涼加密剛項(xiàng)，傷可編項(xiàng)程邏你輯器狐件就坑被加嫂密，扎器件桶的邏蘆輯功水能無棄法被較讀出敵，有眼效地積防止紡邏輯那系統(tǒng)慧被抄牢襲。心因而友，使量用可縮編程匯邏輯串器件堪設(shè)計搭的系壘統(tǒng)具燕有保結(jié)密特蹦性。純嘴綠目前搜，使趴用可不編程斬邏輯座器件移來設(shè)鋒計電撞路需晃要依垂靠相蘋應(yīng)的汽開發(fā)雜軟件鄙平臺誘和編世程器歷?？闪Ь幊叹噙壿嬔灼骷r開發(fā)傻軟件乖和相命應(yīng)的皂編程怠器多睛種多黎樣，壘特別腰是一岔些較放高級俗的軟蛇件平強(qiáng)臺，耀其功某能更豪加靈船活，撐具有須圖形脾輸入耐、語水言輸買入和遙波形銹輸入半等多圍種輸郊入方辨法；鼓且具躍有功冒能分眨析、值時序眨分析昨、電這路劃鳴分、賓布局紐連線搜、編打程等炎多種派功能冰。一凝個系默統(tǒng)除敞了方殃案設(shè)川計和斑輸入宗電路蛾外，槳都可須用編窗程軟蒜件自語動完遭成。放可編參程邏郊輯器臺件設(shè)觸計電果路過蔑程如需下圖乒所示網(wǎng)，它犧和傳憂統(tǒng)的滾采用功中小找規(guī)模渾集成融電路甚設(shè)計彼方法慎主要筑的區(qū)殲別在主于增窄加了恐“祥編程艇”航和吩“桿計算燦機(jī)參愉與付”桃。設(shè)計設(shè)計輸入優(yōu)化電路選擇器件編程器件功能時序檢測電路設(shè)計方案元圖1襲-1勉家PL顆D設(shè)站計邏住輯電克路的漏基本垃過程寒現(xiàn)在懇，P皂LD要器件斯已被殘廣泛患應(yīng)用其于計龍算機(jī)厭硬件芳、工遺業(yè)控堆制、堅(jiān)智能續(xù)儀表花、通踐訊設(shè)太備和兼醫(yī)療挑電子臘儀器昨等多啄個領(lǐng)汪域。柔1．除2透蘋普污通可帆編程僻邏輯鑰器件酬1.距2.削1匆普掩通P墊LD垃的基返本結(jié)戲構(gòu)輸入電路與門陣列或門陣列輸入信號反饋輸入信號互補(bǔ)輸入乘積項(xiàng)和項(xiàng)輸出函數(shù)數(shù)數(shù)輸出電路鉤PL醉D的止基本鼻結(jié)構(gòu)詢?nèi)鐖D尸1-灶2所嶄示。咐圖中爭虛線括框內(nèi)犯是P鉗LD任的主星體，樹它由綁與陣瑞列和云或陣運(yùn)列構(gòu)糠成。騎與陣兇列產(chǎn)瀉生有陸關(guān)與晨項(xiàng)，凍或陣蝕列將蚊所有天與項(xiàng)綢構(gòu)成戶“因與或臘”疏的形捷式。土由于乎任何尖組合璃邏輯隱函數(shù)殲均可村化成備與或接的形慎式，洞而任罵何時掉序電戒路均秤可由輕組合竄邏輯修電路咽加上枝存儲衰元件內(nèi)（觸井發(fā)器絕）構(gòu)鍛成，斤所以橫PL原D的匪與或臣結(jié)構(gòu)虧對實(shí)輸入電路與門陣列或門陣列輸入信號反饋輸入信號互補(bǔ)輸入乘積項(xiàng)和項(xiàng)輸出函數(shù)數(shù)數(shù)輸出電路憲洽牢簽退員省歐凍鴨闊級圖合1-賄2配P晨LD棍基本到結(jié)構(gòu)燙圖風(fēng)普通貢PL掠D的弄分類蓬范角根據(jù)瓜PL依D的僑基本悶結(jié)構(gòu)低，一勞般可腥分為容以下哥幾類租：對可編雜程只層讀存撓儲器幅PR淘O(shè)M怎（飽Pr朽og權(quán)ra庸mm歪ab微le羨R舟ea順d-葡on踢ly努M搏em懂or同y連）：功PR驕OM腹由固豎定的頃與陣簽列和激可編喬程的厭或陣科列組始成，摟大多隆用來掙存儲險計算毒機(jī)程豬序和滔數(shù)據(jù)職。此珠時，吐固定拳的輸著入用榜作存收儲器崗的地滔址，把輸出扁是存嫩儲器滴單元笨的內(nèi)籮容。下可編石程邏屢輯陣喉列P痛LA避(P咳ro今gr扁am菌ma恐bl返e猶Lo極gi門c垂Ar成ra仍y)牙：魄PL吩A由咐可編貿(mào)程的氧與陣爽列和留可編挎程的麗或陣責(zé)列構(gòu)成成，若是靈炒活性敲最高失的可折編程價邏輯壤器件炒。由術(shù)于它沖的與?；蜿囕p列均蛙可編暢程，紡因而吼在實(shí)妙現(xiàn)函雹數(shù)時群，只榨須形疫成所躺需的劇乘積吧項(xiàng)，匹再以謠或的買形式蠅輸出魂，從愈而使陶得陣刺列的筑規(guī)模催比相底同數(shù)鬼目輸由入信舌號的雜PR煩OM揮小得矮多。號但目決前P交LA冷的編纖程缺笛乏高洞質(zhì)量晝的支施持軟召件和挨編程機(jī)工具木，且臉器件福的價弓格偏吳高，周門的鵝利用拾率不汽高，年因而易使用領(lǐng)不廣深泛。爹可編仇程陣管列邏某輯P儲AL倆（暑Pr壟og失ra仁mm字ab曾le緞A張rr添ay潔L嶺og絲ic脈）：步PA缺L由驅(qū)可編減程的省與陣掉列和吩固定策的或熊陣列赴構(gòu)成潮，它風(fēng)結(jié)合完了P找LA饑的靈還活性慕和P衫RO耍M的氣廉價飄和易祥編程倒的特赤點(diǎn)，垮是早謠期實(shí)堂現(xiàn)可險編程屑專用參集成冤電路蚊（A命SI留C）鄰的主坦要器蜜件。威通用泳邏輯碎陣列羨GA壯L（過Ge烤ne導(dǎo)ri鐘c床Ar沖ra睬y龍Lo貌gi激c賤）足GA若L底繼承唐了P誼AL療器件鍬的與賢-或閘結(jié)構(gòu)單，并舟在這坊一基寨礎(chǔ)上番有了鴉新的鏡突破拔，增腫加了隙輸出初邏輯遞宏單光元O并LM魚C（圓Ou鄉(xiāng)tp隙ut坑L寒og撐ic皮M役ac慨ro卷C甩el欲l舒）結(jié)雙構(gòu)。仇由于奔GA渾L具認(rèn)有高殘可靠妹性、個可擦縫除性啄及輸侄出邏馬輯可忌組態(tài)藍(lán)的特貼性，花故是皺一種苗理想雨的低戶密度孝可編堂程邏銅輯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