电子设计自动化第3章EDA硬件结构

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1、3.1可编程逻辑器件简介3.2几种典型的PLD器件介绍3.3SOC介绍3.4实训：用QuartusⅡ软件中的图形法设计电路习题3.1可编程逻辑器件简介3.1.1可编程逻辑器件的发展历程数字集成电路已由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担，系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，

2、并且立即投入实际应用之中，在此需求推动下出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除只读存储器(EPROM)和电可擦除只读存储器(EEPROM)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即简单的可编程逻辑器件(PLD)，它能够完成多种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式来

3、描述，因此，PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能，其结构如图3-1所示。这一阶段的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，“或”门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA)，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在PAL的

4、基础上产生了GAL(GenericArrayLogic)，如GAL16V8、GAL22V10等。它采用了EEPROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的PLD器件有一个共同的特点，即可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使其只能实现规模较小的电路。图3-1简单PLD的部分结构为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期，ALTERA和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD和与标准门阵列类似的FPGA，它们都具有体系结构和逻

5、辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。这两种器件与门阵列等其他ASIC相比，具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10000件以下)中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。Xilinx把基于查找表技术、SRAM工艺、要外挂配置用的EEPROM的PLD叫做FPGA；把基于乘积项技术、Flas

6、h(类似EEPROM)工艺的PLD叫做CPLD。ALTERA把自己的PLD产品(MAX系列，采用乘积项技术、EEPROM工艺；FLEX系列，采用查找表技术、SRAM工艺)都叫做CPLD，即复杂PLD(ComplexPLD)。由于FLEX系列也采用SRAM工艺、基于查找表技术，要外挂配置用的EPROM，用法和Xilinx的FPGA一样，因此很多人把ALTERA的FELX系列产品也叫做FPGA。在本书中把基于乘积项技术的可编程器件称为CPLD，而把基于查找表原理的可编程器件称为FPGA。3.1.2可编程逻辑器件概述FPGA与CPLD都是

7、可编程逻辑器件，它们是在PAL、GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL、GAL等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和ALTERA公司的CPLD器件系列，它们占据了较大的PLD市场。通常来说，在欧洲用Xilinx产品的人多，在日本和亚太地区用ALTERA产品的人多，

8、在美国则是平分秋色。全球CPLD/FPGA产品60%以上是由ALTERA和Xilinx提供的。可以讲ALTERA和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。当然还有许多其他类型的器件，如Lattice、Vantis、Actel、Qu