可编程逻辑器件设计方法

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1、可编程逻辑器件设计方法何宾2011.09可编程逻辑器件设计方法-本章概述可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）产生于上世纪70年代，是在专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC）基础上发展起来的一种新型逻辑器件，是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是由用户通过硬件描述语言和相关电子设计自动化软件对其进行配置和编程。可编程逻辑器件设计方法-PLD芯片制造工艺1、熔丝连接技术最早的允许对器件进行编程的技术是熔丝连接技术。在这种技术的器件中，所有逻辑的连接都是靠熔丝连接的。熔丝器件是一次可编程的

2、，一旦编程，永久不能改变。ab逻辑1&ab逻辑1&图2.1熔丝未编程的结构图2.2熔丝编程的结构可编程逻辑器件设计方法-PLD芯片制造工艺2、反熔丝连接技术反熔丝技术和熔丝技术相反，在未编程时，熔丝没有连接。如果编程后，熔丝将和逻辑单元连接。反熔丝开始是连接两个金属连接的微型非晶硅柱。未编程时，成高阻状态。编程结束后，形成连接。反熔丝器件是一次可编程的，一旦编程，永久不能改变。ab逻辑1&ab逻辑1&图2.3熔丝未编程的结构图2.4熔丝编程的结构可编程逻辑器件设计方法-PLD芯片制造工艺3、SRAM技术基于静态存储器SRAM的可编程器件，值被保存在SRAM中时，只要系统正常供电信息就不会

3、丢失，否则信息将丢失。SRAM存储数据需要消耗大量的硅面积，且断电后数据丢失。但是这种器件可以反复的编程和修改。可编程逻辑器件设计方法-PLD芯片制造工艺4、掩膜技术ROM是非易失性的，系统断电后，信息被保留在存储单元中。掩膜器件可以读出，但是不能写入信息。ROM单元保存了行和列数据，形成一个阵列，每一列有负载电阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体管和一个掩膜连接。这种技术代价比较高，基本上很少使用。可编程逻辑器件设计方法-PLD芯片制造工艺5、PROM技术PROM是非易失性的，系统断电后，信息被保留在存储单元中。PROM器件可以编程一次，以后只能读数据而不能写入新的数据。PR

4、OM单元保存了行和列数据，形成一个阵列，每一列有负载电阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体管和一个掩膜连接。如果可以多次编程就成为EPROM，EEPROM技术。可编程逻辑器件设计方法-PLD芯片制造工艺6、FLASH技术FLASH技术的芯片的檫除的速度比PROM技术要快的多。FLASH技术可采用多种结构，与EPROM单元类似的具有一个浮置栅晶体管单元和EEPROM器件的薄氧化层特性。可编程逻辑器件结构-CPLD芯片内部结构CPLD由完全可编程的与/或阵列以及宏单元库构成。与/或阵列是可重新编程的，可以实现多种逻辑功能。宏单元则是可实现组合或时序逻辑的功能模块，同时还提供了真值或

5、补码输出和以不同的路径反馈等额外的灵活性。下面给出了CPLD的内部结构图。可编程逻辑器件结构-CPLD芯片内部结构可编程逻辑器件结构-CPLD芯片内部结构(功能块)FB内部的逻辑使用积之和SOP描述。36个输入提供了72个真和互补信号到可编程的“与”阵列来生成90个乘积项。最多可用的90个乘积项可以通过乘积项分配器分配到一个每个宏单元。可编程逻辑器件结构-CPLD芯片内部结构(宏单元)图2.7宏单元的内部结构触发器资源组合逻辑资源可编程逻辑器件结构-CPLD芯片内部结构(宏单元)从数字电路的知识知道,任何一个数字系统是由组合逻辑电路和时序电路构成的.所以宏单元应该是CPLD芯片最重要的功

6、能单元.因为数字系统的逻辑功能是在宏单元内实现的.可编程逻辑器件结构-CPLD芯片内部结构(快速连接矩阵)快速连接开关矩阵的内部结构快速连接矩阵可编程逻辑器件结构-CPLD芯片内部结构IO块内部逻辑可编程逻辑器件设计方法-FPGA芯片的内部结构现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展起来的，它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC那样通过固定

7、的与非门来完成，而只能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工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。可编程逻辑器件设计方法--FPGA芯片的内部结构(查找表)由布尔代数理论可知，对于一个n输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在2n种结果，所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元，就相当于实现了与非