第2章FPGA与CPLD的结构原理

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1、第2章FPGA与CPLD的结构原理2.1PLD概述PLD(ProgrammableLogicDevice)可编程逻辑器件PLD是从1970年发展起来的新型器件，是大规模集成电路技术发展的产物。PLD概述PLD的发展历程熔丝编程的PROM和PLA器件AMD公司推出PAL器件Lattice公司GAL器件FPGA器件EPLD器件CPLD器件内嵌复杂功能模块的SoPCPLD的集成度分类一般将GAL22V10（500门~750门）作为简单PLD和高密度PLD的分水岭PLD的分类PLD器件按照可以编程的次数可以分为两类：(1)一次性编程器件（OTP，OneTimePro

2、grammable）(2)可多次编程器件OTP类器件的特点是：只允许对器件编程一次，不能修改，而可多次编程器件则允许对器件多次编程，适合于在科研开发中使用。按编程特点分类(1)熔丝（Fuse）(2)反熔丝（Antifuse）编程元件(3)紫外线擦除、电可编程，如EPROM。(4)电擦除、电可编程方式，(EEPROM、快闪存储器（FlashMemory）），如多数CPLD(5)静态存储器（SRAM）结构，如多数FPGA按编程元件和编程工艺划分非易失性器件易失性器件2.2简单PLD结构原理一、逻辑元件符号表示PLD中的简化符号PLD中的简化符号二、PROM结构原

3、理PROM结构原理PROM结构原理用PROM完成半加器逻辑阵列三、PLA结构原理与阵列和或阵列均可编程，提高了利用率。设计中应采用最简与或表达式，并尽可能地利用公共与项。两种器件基本上都能实现相同的逻辑功能PLA与PROM的比较0A1A1F0F2A2F0A1A1F0F2A2FPLA利用率比PLD高，但与或阵列都可编程的结构，使得软件算法过于复杂。在PLA的基础上又设计出了另外一种可编程器件：可编程阵列逻辑PAL（ProgrammableArrayLogic）四、PAL结构原理或阵列固定PAL的结构使得设计算法大大简化，但是其结构决定了单个输出函数的乘积项是固

4、定的，不能实现多个乘积项的逻辑函数。在PAL中引入输出反馈和互连的方式解决了多个乘积项逻辑函数的问题2.2.4PAL结构原理在PAL中引入了输出反馈，利用简单的结构可实现复杂逻辑功能，而且软件算法比较简单，同时PAL中还加上了输出寄存器单元，实现了时序电路的可编程。但是，为适应不同应用要求，PAL的I/O结构很多，PAL器件的型号也很多，设计不同功能的电路时，要采用不同型号的PAL器件。PAL种类的丰富既带来了方便也带来了不便。PAL一般采用熔丝工艺，一次编程在PAL的基础上，设计出了GAL器件GenericArrayLogic（通用阵列逻辑）采用了EEPE

5、OM工艺，具有电可擦除重复编程的特点对PAL的I/O结构进行了改进，在输出部分增加了输出逻辑宏单元OLMCOutputLogicMacroCell与PAL器件保持了兼容性，能直接替代多种PAL器件OLMC的多种编程工作方式给电路的设计带来很大方便，器件可实现功能更强五、GAL结构原理GAL内部结构（局部）OLMC(OutputLogicMacroCell)输出逻辑宏单元OLMC单元设有多重组态，通过配置可以构成三种模式的多种输出结构（1）寄存器模式（2）复合模式（3）简单模式2.3CPLD的结构原理在GAL器件结构的基础上，人们又设计出规模更大，配置更灵活，

6、实现逻辑功能更强的CPLD（ComplexProgramableLogicDevice）器件。CPLD的内部结构由以下几部分构成：逻辑阵列块LAB（LogicArrayBlock）宏单元可编程线阵列PIA（ProgrammableInterconnectArray）I/O控制块宏单元结构可编程连线阵列PIA器件的输入、I/O引脚和宏单元的输出都连接到PIA，通过编程PIA可以把这些信号送到器件的各个地方。I/O控制块I/O控制块可以将每个I/O引脚单独配置为输入、输出和双向工作方式。并且包含多个使能控制信号，控制方式灵活。2.4FPGA的结构原理FPGA（F

7、iledProgrammableGateArray）FPGA、CPLD是目前应用的两大类大规模可编程逻辑器件FPGA的可编程逻辑形成方法不同与其他可编程器件，采用的是可编程的查找表结构—LUT（LookUpTable）。查找表的逻辑结构CycloneIII系列器件结构原理逻辑宏单元LE(LogicElementorLC:LogicCell)是器件的最基本编程单元多个LE单元构成逻辑阵列块LAB多个LAB排列起来形成LAB阵列LE中LUT单元有丰富的内部互连资源可实现复杂逻辑函数LE中的寄存器可配置成各类触发器类型LE有两种工作模式：普通模式和算术模式Cycl

8、oneIII系列器件的LE内部结构普通模式算术模式1