1、“eda應用技術應用技術”課程課程清華大學出版社清華大學出版社焦素敏焦素敏 主編主編n第第1章章 eda概述概述l第第2章章 可編程邏輯器件可編程邏輯器件l第第3章章 eda設計流程與開發工具設計流程與開發工具l 第第4章章 vhdl硬件描述語言硬件描述語言“eda應用技術應用技術”目錄目錄返回返回第第5 5章章 vhdlvhdl程序設計基礎程序設計基礎第二章 可編程邏輯器件 2.4 在系統可編程邏輯器件 2.1 概述 2.2 簡單pld2.3 cpld和fpga返回2.1 概述n2.1.1 可編程邏輯器件的發展歷程n2.1.2 可編程邏輯器件的分類n2.1.3 pld的基本結構返回2.1 可

2、編程邏輯器件可編程邏輯器件pld概述概述 可編程邏輯器件（programmable logic device, 簡稱pld）是一種由用戶根據自己要求來構造邏輯功能的數字集成電路。和具有固定邏輯功能的74系列數字電路不同，pld本身沒有確定的邏輯功能，就如同一張白紙或是一堆積木，要由用戶利用計算機輔助設計，即用原理圖或硬件描述語言（hdl）的方法來表示設計思想，經過編譯和仿真，生成相應的目標文件，再由編程器或下載電纜將設計文件配置到目標器件中，這時可編程器件（pld）就可以作為滿足用戶要求的專用集成電路使用了，同時還可以利用pld的可重復編程能力，隨時修改器件的邏輯功能，而無須改變硬件電路。 2

3、.1.1 pld的發展歷程prom是始于是始于1970年出現第一塊可編程邏輯器年出現第一塊可編程邏輯器件件pld（programmable logic device），），隨后可編程邏輯器件又陸續出現了隨后可編程邏輯器件又陸續出現了pla、pal、gal、epld及現階段的及現階段的cpld和和fpga等。可等。可編程邏輯器件的出現，不僅改變了傳統的數字編程邏輯器件的出現，不僅改變了傳統的數字系統設計方法，而且促進了系統設計方法，而且促進了eda技術的高速發技術的高速發展。展。eda技術是以計算機為工具，代替人去完技術是以計算機為工具，代替人去完成數字系統設計中各種復雜的邏輯綜合、布局成數字系

4、統設計中各種復雜的邏輯綜合、布局布線和設計仿真等工作。設計者只需用硬件描布線和設計仿真等工作。設計者只需用硬件描述語言完成對系統功能的描述，就可以由計算述語言完成對系統功能的描述，就可以由計算機軟件自行完成處理，得到設計結果。利用機軟件自行完成處理，得到設計結果。利用eda工具進行設計，可以極大地提高設計的效工具進行設計，可以極大地提高設計的效率。率。 常見的pld有prom、pal、gal、pla、fpga等。目前對pld的分類沒有統一的標準，一種器件往往具有多種特征，并不能嚴格的分類。本節介紹幾種常用的分類方法。1. 按集成密度分類：prom（可編程只讀存儲器）包括eprom、eerom。

5、pla（可編程邏輯陣列）pal（可編程陣列邏輯）gal（通用陣列邏輯）2.1.2 可編程邏輯器件（pld）的分類2.1.1 可編程邏輯器件的分類可編程邏輯器件的分類 可編程邏輯器件的密度分類可編程邏輯器件的密度分類低密度可編程邏輯低密度可編程邏輯器件器件( (ldpld) )高密度可編程邏輯高密度可編程邏輯器件器件( (hdpld) )可編程邏輯器件可編程邏輯器件(pld)promplapalgalepldcpldfpga可編程邏輯器件從集成密度上可分為低密度可可編程邏輯器件從集成密度上可分為低密度可編程邏輯器件編程邏輯器件ldpld和高密度可編程邏輯器件和高密度可編程邏輯器件hdpld兩類。

6、兩類。ldpld 通常是指早期發展起來的、集成密度通常是指早期發展起來的、集成密度小于小于700門門/片左右的片左右的pld如如rom、pla、pal和和gal等等。hdpld包括可擦除可編程邏輯器件包括可擦除可編程邏輯器件epld（erasable programmable logic device）、復雜）、復雜可編程邏輯器件可編程邏輯器件cpld（complex pld）和）和fpga三三種，其集成密度大于種，其集成密度大于700門門/片。如片。如altera公司的公司的epm9560，其密度為，其密度為12000門門/片，片，lattice公司的公司的plsi/isplsi3320為為

7、14000門門/片等。目前集成度最高片等。目前集成度最高的的hdpld可達可達25萬門萬門/片以上。片以上。 2. 按編程方式分類按編程方式分類可編程邏輯器件的編程方式分為兩類：一次性可編程邏輯器件的編程方式分為兩類：一次性編程編程otp（one time programmable）器件和可多）器件和可多次編程次編程mtp（many time programmable）器件。）器件。otp器件是屬于一次性使用的器件，只允許用器件是屬于一次性使用的器件，只允許用戶對器件編程一次，編程后不能修改，其優點是可戶對器件編程一次，編程后不能修改，其優點是可靠性與集成度高，抗干擾性強。靠性與集成度高，抗干

8、擾性強。mtp器件是屬于可多次重復使用的器件，允許器件是屬于可多次重復使用的器件，允許用戶對其進行多次編程、修改或設計，特別適合于用戶對其進行多次編程、修改或設計，特別適合于系統樣機的研制和初級設計者的使用。系統樣機的研制和初級設計者的使用。 根據各種可編程元件的結構及編程方式，可編根據各種可編程元件的結構及編程方式，可編程邏輯器件通常又可以分為四類：程邏輯器件通常又可以分為四類： 采用一次性編程的熔絲（采用一次性編程的熔絲（fuse）或反熔絲）或反熔絲（antifuse）元件的可編程器件，如）元件的可編程器件，如prom、pal和和epld等。等。 采用紫外線擦除、電可編程元件，即采用采用紫

9、外線擦除、電可編程元件，即采用eprom、uvcmos工藝結構的可多次編程器件。工藝結構的可多次編程器件。 采 用 電 擦 除 、 電 可 編 程 元 件 。 其 中 一 種 是采 用 電 擦 除 、 電 可 編 程 元 件 。 其 中 一 種 是e2prom，另一種是采用快閃存儲器單元（，另一種是采用快閃存儲器單元（flash memory）結構的可多次編程器件。）結構的可多次編程器件。 基于靜態存儲器基于靜態存儲器sram結構的可多次編程器件。結構的可多次編程器件。目前多數目前多數fpga是基于是基于sram結構的可編程器件。結構的可編程器件。3. 按結構特點分類按結構特點分類 pldpl

10、d按結構特點分為陣列型按結構特點分為陣列型pld和現場可編程和現場可編程門陣列型門陣列型fpga兩大類。兩大類。陣列型陣列型pld的基本結構由與陣列和或陣列組成。的基本結構由與陣列和或陣列組成。簡單簡單pldpld（如（如promprom、plapla、palpal和和galgal等）、等）、epldepld和和cpldcpld都屬于陣列型都屬于陣列型pldpld。 現場可編程門陣列型現場可編程門陣列型fpga具有門陣列的結構具有門陣列的結構形式，它有許多可編程單元（或稱邏輯功能塊）排形式，它有許多可編程單元（或稱邏輯功能塊）排成陣列組成，稱為單元型成陣列組成，稱為單元型pld。 4.按顆粒度

11、分類n小顆粒度 簡單的pldn中等顆粒度 fpgan大顆粒度 cpld pld邏輯模塊與元器件的顆粒度有關,而元器件的顆粒度又與模塊之間需要完成的布線工作量有關輸入電路與陣列或陣列輸出電路輸入項乘積項或項輸入輸出 pld的基本結構框圖 pld的基本結構框圖2.1.3 pld的基本結構輸 入輸 出 基本pld器件的原理結構圖返回2.2 簡單pldn2.2.1 paln2.2.2 galn2.2.3 cpld和fpga返回2.2.1 pal2 pld電路表示法電路表示法n pld電路表示法與傳統表示法有所不同，主要因為pld的陣列規模十分龐大，如用傳統表示法極不方便。在x下圖中給出了pld的三種連

12、接方式。連線交叉處有實點的表示固定連接；有符號“”的表示編程連接；連線單純交叉表示不連接。 下圖中是一個三輸入與門的兩種表示法，即傳統表示法和pld電路表示法。在輸入項很多的情況下，pld表示法顯得簡潔方便。111&111213010203與陣列(可編程)或陣列(固定) pal(gal)的陣列結構 pal(gal)的陣列結構或陣列(固定)與陣列(可編程)010203111213 pal(gal) 的陣列結構返回與或陣列結構圖與或陣列結構圖 1 10 02 23 34 45 56 67 78 89 91010cpld中與、或門的表示方法中與、或門的表示方法a ab b c c d dp(乘積項)

13、p(乘積項)a ac cd dp=ap=ab bc ca ab b c c d df（或項）f（或項）f=a+b+df=a+b+da ab bd d2.3 cpld和fpga復雜可編程邏輯器件cpld （complex programmable logical devices)n一個cpld含有多個邏輯元件塊（pld）n每個邏輯塊間的接線是可編程的n運行速度比fpga快n功耗較大返回cpld結構方框圖邏輯方塊邏輯方塊邏輯方塊邏輯方塊邏輯方塊邏輯方塊邏輯方塊邏輯方塊可規劃之互接線i/oi/ofpga現場可編程門陣列fpga （field programmable gate array)n 邏輯功

14、能塊粒度小n 類似門陣列的連線通道和邏輯功能塊結 構n 邏輯元件使用率高n 寄存器較多 fpga的基本結構圖的基本結構圖c cl lb bi ir ri io ob bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bc cl lb bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi io ob bi ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri i

15、r ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir ri ir r1可編程邏輯塊（可編程邏輯塊（clb） clb主要由邏輯函數發生器、觸發器、數據主要由邏輯函數發生器、觸發器、數據選擇器等電路組成。選擇器等電路組成。2輸入輸入/輸出模塊（輸出模塊（iob） iob主要由輸入觸發器、輸入緩沖器和主要由輸入觸發器、輸入緩沖器和輸出觸發輸出觸發/鎖存器、輸出緩沖器組成，每個鎖存器、輸出緩沖器組成，每個iob控制一個引腳，它們可被配置為輸入、輸出或控制一個引腳，它們可被配置為輸入、輸出或雙向雙向i/o功能。功能。 3可編程互連資源（可編程互連資源（pir） pir由許多金屬線段

16、構成，這些金屬線由許多金屬線段構成，這些金屬線段帶有可編程開關，通過自動布線實現各種電路段帶有可編程開關，通過自動布線實現各種電路的連接。實現的連接。實現fpga內部的內部的clb和和clb之間、之間、clb和和iob之間的連接。之間的連接。 xc4000系列采用分段互連資源結構，系列采用分段互連資源結構，按相對長度可分為單長線、雙長線和長線等三種按相對長度可分為單長線、雙長線和長線等三種(p19)。cpld與fpga之間有何區別npld是programmable logic device（可編程邏輯器件）的縮寫，是一種集成電路。電子工程師可以使用pld來實現組合邏輯以及時序邏輯。pld市場有兩個主要部分：cpld和fpga，分別代表兩種截然不同的芯片結構。 fpga是field programmable gate array（現場可編程門陣列）的縮寫，代表的是一種可編程邏輯器件，它可以在制造完成后由用戶根據自己的需要定義其邏輯功能。fpga包含了一個邏輯單元（可以是門，也可以是查找表ram）的陣列、觸發器以及可編程的互連線。除此之外，現在的一些大規模fpga還包含了片內ram、嵌入式cpu、高速收發器等資源。fpga 的顯著特