第11章 可编程逻辑器件及其开发工具ppt课件.ppt

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1、第11章可编程逻辑器件及其开发工具本章主要内容(1)可编程逻辑器件概述(2)FPGA的工作原理与基本结构(3)FPGA的设计与开发11.1可编程逻辑器件（PLD）概述11.1.1PLD的产生传统的硬件电路设计方法一般是先选用标准通用集成电路芯片，再由这些芯片“自下而上”地构成电路、子系统和系统。采用这种设计方法，对系统进行设计并调试完毕后，所形成的设计文件主要是由若干张电原理图构成的文件。设计者在电原理图中详细标注各逻辑单元、器件名称及互相间的连接关系。这种设计文件是用户使用和维护系统的依据。对于大系统，由于电路系统十分复杂，所以其电原理图可能需要成千上万

2、张，这给阅读、归档、修改和使用均带来极大的麻烦。近年来发展起来的电子设计自动化EDA技术，采用“自上而下”的设计方法来进行逻辑电路的设计。在这种崭新的设计方法中，可以由用户对整个电路系统进行方案设计和功能划分，系统地关键电路由一片或几片专用集成电路ASIC构成。ASIC的设计与制造，已不再完全由半导体厂家独立承担，用户本身就可以在自己的实验室里设计出合适的ASIC器件，并且可以立即投入实际使用之中。这种电子技术设计领域中的重大变革，主要得益于可编程逻辑器件PLD的产生与应用。采用PLD技术，用户利用专门的硬件描述语言，根据自己的应用需求来定义和构造逻辑电路

3、，描述其逻辑功能，利用EDA工具软件，经过特定的编译或转换程序，生成相应的目标文件，再由编程器和下载电缆将设计文件配置到PLD器件中，即可得到满足用户要求的专用集成电路了。PLD的产生与应用，不仅简化了电路设计，降低了成本，提高了系统的可靠性，而且还有力地推动了数字电路设计方法的革新。11.1.2PLD的发展1.可编程只读存储器（PROM）2.可编辑逻辑阵列（PLA）3．可编程阵列逻辑（PAL）4．通用阵列逻辑（GAL）上述PROM、PLA、PAL和GAL器件结构简单，对开发软件的要求低，但它们的电路规模小，难以实现复杂的逻辑功能，所以均属简单可编程器件（

4、SPLD）。随着技术的发展，包括CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)和FPGA在内的复杂PLD器件迅速发展起来。5.现场可编程门阵列（FPGA）1985年，XiLinx公司推出世界上第一片现场可编程门阵列FPGA。它是一种新型高密度的PLD器件，采用COMS-SRAM工艺制作，其内部有许多独立的可编程逻辑模块（CLB）组成，逻辑模块之间可以灵活地至连起来。FPGA结构通常包括三种逻辑模块：可编程逻辑模块（CLB）、可编程输入/输出模块（I/OB）和可编程连线资源（PI）。较复杂的FPGA结构中还有其他一些功能模块。CLB

5、的功能很强，不仅能实现逻辑函数，还可以配置成移位寄存器或RAM等复杂形式。配置数据存放在片内的SRAM或者熔丝图上，基于SRAM的FPGA器件工作前需要从芯片外部加载配置数据。加载的配置数据可以存储在片外的E2PROM或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程。11.1.3PLD的主要特点1.高密度2.低功耗3.高速度4.高开发效率各种PLD均有相应开发工具软件给予支持，电路设计人员在很短的时间内就可以完成电路输入、编译、仿真、综合和配置（编程），直至最后芯片的制作，从根本上改变了传统的电子电路设计方法。另外，PLD

6、本身可以反复编程、擦除、从而使开发、设计效率得到极大的提高。11.1.4PLD的基本结构PLD的基本结构是由“与阵列”、“或阵列”、输出缓冲电路和输出电路构成，反馈信号通过内部反馈通道馈送到输入端，如图11.1所示。“与阵列”和“或阵列”是PLD电路的主体，“与阵列”用来产生乘积项，“或阵列”用来产生乘积项之和。输入缓冲电路可以使输入信号具有足够的驱动能力，并产生输入变量的原变量和反变量。根据电路功能的不同，PLD可以由“或阵列”直接输出（组合电路方式），也可以通过触发器或寄存器输出（时序电路方式）。输出可以是高电平有效，也可以是低电平有效，输出端通常都采

7、用三态门结构。11.1PLD的结构框图11.2PGA的工作原理与基本结构11.2.1FPGA的工作原理由于FPGA可以被反复擦写，因此它所实现的逻辑电路不是通过固定门电路的连接来完成，而是采用一种易于反复配置的结构，查找表可以很好地满足这一要求。目前，主流FPGA都采用了基于SRAM的查找表结构，也有一些高可靠性要求的FPGA产品采用Flash或者熔丝工艺的查找表结构。可通过擦写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置。根据数字电路的基本原理，对于一个具有n个输入的逻辑运算，不管是与、或、非运算还是“异或”运算，最多有2n中输出结果。所以，如果事

8、先将输入变量的所有取值可能及对应输出结果（即真值表）存放于一个RA