教学课件第3章 可编程逻辑器件.ppt

第3章 可编程逻辑器件 第3章 可编程逻辑器件 3.1 概述 3.2 可编程逻辑器件的基本结构 3.3 FPGA/CPLD器件的类别 3.4 FPGA/CPLD的配置 3.5 SOPC的概述 脉冲与数字电路课程的回顾 布尔函数－－数字系统数学基础（卡诺图） 数字电路设计的基本方法 组合电路设计 问题逻辑关系真值表化简逻辑图 时序电路设计 列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图 脉冲与数字电路课程的回顾 使用中、小规模器件设计电路（74、54系列） 编码器（74LS148） 译码器（74LS154） 比较器（74LS85） 计数器（74LS193） 移位寄存器（74LS194） ……… 脉冲与数字电路课程的回顾 设计方法的局限 卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。 采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。 设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。 脉冲与数字电路课程的回顾 采用中小规模器件的局限 电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性低－－提高芯片的集成度 设计比较困难－－能方便地发现设计错误 电路修改很麻烦－－提供方便的修改手段 PLD器件的出现改变了这一切 PLD出现的背景 电路集成度不断提高 SSIMSILSIVLSI 计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用 设计方法的发展 自下而上自上而下 用户需要设计自己需要的专用电路 专用集成电路（ASIC－Application Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险大 可编程器件PLD：开发周期短，投入小，风险小 综观可编程逻辑器件的发展情况，大体可以分为六个发展阶段： （1）20世纪70年代初，熔丝编程的可编程只读存储器PROM和可编程逻辑阵列PLA是最早的可编程逻辑器件。 （2）20世纪70年代末，对PLA器件进行了改进，AMD公司推出了可编程阵列逻辑。 （3）20世纪80年代初，Lattice公司发明了电可擦写的、比PAL器件使用更灵活的通用可编程阵列逻辑GAL。 3.1.1可编程逻辑器件发展历程 （4）20世纪80年代中期，Xilinx公司提出了现场可编程的概念，同时生产出了世界上第一个FPGA器件。 （5）20世纪80年代末，Lattice公司又提出了在系统可编程的概念，即ISP技术，并且推出了一系列的具备在系统可编程能力的CPLD器件。 （6）进入20世纪90年代以后，集成电路技术进入到飞速发展的时期。并且出现了内嵌复杂功能块（如加法器、乘法器、RAM、PLL CPU核、DSP核等）的超大规模器件SOPC（System On a Programmable Chip）。 内嵌复杂功能模块的SOPC（90年代后） PLD的发展历程 按集成度分类 集成度是集成电路一项很重要的指标，如果从集成密度上分类，可分为低密度可编程逻辑器件（LDPLD）和高密度可编程逻辑器件（HDPLD）。 3.1.2 可编程逻辑器件分类 按器件结构分类 基于乘积项（与或阵列结构）的器件－－阵列型 PROM，EEPROM，PAL，GAL，CPLD CPLD的代表芯片如：Altera的MAX系列 基于查找表结构的器件－－单元型 FPGA 按编程工艺分类 熔丝（Fuse）型器件。 反熔丝（Antifuse）型器件。 UEPROM型器件，即紫外线擦除/电可编程器件。 E2PROM编程器件，即电可擦写编程器件。 SRAM型器件，即SRAM查找表结构的器件。 Flash型器件。 熔丝或反熔丝编程器件－－Actel的FPGA器件 体积小，集成度高，速度高，易加密，抗干扰，耐高温 只能一次编程，在设计初期阶段不灵活 SRAM－－大多数公司的FPGA器件 可反复编程，实现系统功能的动态重构 每次上电需重新下载，实际应用时需外挂EEPROM用于保存程序 EEPROM－－大多数CPLD器件 可反复编程 不用每次上电重新下载，但相对速度慢，功耗较大 3.1.3 可编程逻辑器件的发展趋势 1．向高密度、高速度、宽频带、高保密方向进一步发展。 2．向低电压、低功耗、低成本、低价格的方向发展。 3．向IP软核/硬核复用、系统集成的方向发展。 4. 向模数混合可编程方向发展。 5．FPGA/CPLD器件将在物联网、人工智能、云计算、网络通信、图像处理、机器人等领域大显身手。 任何组合电路都可表示为其所有输入信号的最小项的和或者最大项的积的形式。 时序电路包含可记忆器件（触发器），其反馈信号和输入信号通过逻辑关系再决定输出信号。 图3-1中所示为PLD器件的基本结构框图，它由输