可编程逻辑器件基础

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1、第2章可编程逻辑器件基础EDA技术与VHDL设计可编程逻辑器件基础可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，简称PLD）是20世纪70年代发展起来的一种新型逻辑器件，它是大规模集成电路技术的飞速发展与计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助生产（CAM）和计算机辅助测试（CAT）相结合的一种产物，是现代数字电子系统向着超高集成度、超低功耗、超小型封装和专用化方向发展的重要基础。2.1概述PLD器件的基本结构CPLD/FPGA的结构特点可编程逻辑器件的编程元件可编程逻辑器件的基本资源可

2、编程逻辑器件的测试技术可编程逻辑器件的设计与开发2.22.32.42.52.62.7可编程逻辑器件基础可编程逻辑器件是一种由用户编程实现所需功能的半定制集成电路，近年来发展十分迅速，已在国内外的计算机硬件、工业控制、智能仪表、数字视听设备、家用电器等领域得到了广泛的应用。可编程逻辑器件与EDA技术的结合，使得系统设计人员与芯片设计人员的相互渗透，从而快速、方便地构建数字系统。学习ASIC技术，掌握可编程逻辑器件的设计方法，已成为现代电子系统设计人员必须具备的基本技能之一。2.1概述综观可编程逻辑器件的

3、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。2.1.1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，Lat

4、tice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、PLLCPU核、DSP核等）的超大规模器件SOPC（SystemOnaProgrammableChip）。2.1.1可编程逻辑器件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

5、）。2.1.2可编程逻辑器件分类可编程逻辑器件低密度可编程逻辑器件（LDPLD）高密度可编程逻辑器件（HDPLD）PROMEPLDCPLDFPGAPLAPALGAL按器件结构分类乘积项结构器件。其基本结构为“与—或阵列”的器件。大部分简单的PLD和CPLD都属于这个范畴。查找表结构器件。其基本结构类似于“门阵列”的器件，它由简单的查找表组成可编程逻辑门，再构成阵列形式。大多数FPGA属于此类器件。2.1.2可编程逻辑器件分类按编程工艺分类熔丝（Fuse）型器件。反熔丝（Antifuse）型器件。UEP

6、ROM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。2.1.2可编程逻辑器件分类缩短研制周期，整个设计通常只需几天便完成，缩短了产品研制周期，有利于产品的快速上市。降低设计成本，采用可编程逻辑器件为降低投资风险提供了合理的选择途径，它不需掩膜制作费用，在设计的初期或在小批量的试制阶段，其平均单片成本远低于门阵列。提高设计灵活性，可编程逻辑器件是一种由用户编程实现芯片功能的器件，与由工厂编程的掩膜ASIC相比，

7、具有更好的设计灵活性。2.1.3可编程逻辑器件的优势向高密度、大规模的方向发展。向系统内可重构的方向发展。向低电压、低功耗的方向发展。向高速可预测延时器件的方向发展。向混合可编程技术方向发展。2.1.4可编程逻辑器件的发展趋势2.2.1基本结构PLD器件种类较多，不同厂商生产的PLD器件结构差别较大，本节选择PLD器件中一些具有代表性的结构来说明其实现的主要逻辑功能。图中所示为PLD器件的基本结构框图，它由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等四部分组成。2.2PLD器件的基本结构2.2.1基本

8、结构依据可编程的部位可将PLD器件分为可编程只读存储器PROM、可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑GAL等四种最基本的类型，如表所示。2.2PLD器件的基本结构器件名与阵列或阵列输出电路PROM固定可编程固定PLA可编程可编程固定PAL可编程固定固定GAL可编程固定可组态2.2.1基本结构大部分FPGA器件采用了可编程查找表结构，这种结构基于SRAM查找表，采用RAM“数据”查找的方式。一个N输入查找表（LUT）可以实现N个输入变量