第5章 可编程逻辑器件综合设计

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1、第5章可编程逻辑器件综合设计第5章可编程逻辑器件综合设计教学提示：本章介绍可编程逻辑器件应用系统综合设计。主要包括可编程逻辑器件的发展、CPLD和FPGA的结构和编程方法以及编程举例。教学要求：通过本章学习，学生能了解CPLD和FPGA的基本结构和编程方法，通过实例的练习，初步掌握VHDL语言的使用。第5章可编程逻辑器件综合设计5.1可编程逻辑器件概述5.2CPLD/FPGA结构与原理5.3Xilinx公司的CPLD介绍5.4Xilinx公司的FPGA5.5Xilinx公司的开发软件5.6VHDL编程举例5.1可编程逻辑器件概述图5.1典型的PLD的部分结构(实现组合逻辑的部分)[u

2、1]图5.1典型的PLD的部分结构(实现组合逻辑的部分)5.1可编程逻辑器件概述5.1.1PLD分类PLD产品一般分为两大类。(1)中小规模PLD：主要指PAL，GAL和CPLD，是基于乘积项(Product-Term)技术，EEPROM(或Flash)工艺。EEPROM工艺的PLD密度小，多用于5000门以下的小规模设计，适合做复杂的组合逻辑，如译码。(2)FPGA：基于查找表(Look-Uptable，LUT)技术，SRAM工艺的大规模PLD/FPGA。SRAM工艺的PLD(FPGA)，密度高，触发器多，多用于10000门以上的大规模设计，适合做复杂的时序逻辑，如数字信号处理和各

3、种算法。PLD产品一般分为两大类。5.1可编程逻辑器件概述5.1.2FPGA/CPLD概述尽管FPGA/CPLD和其他类型PLD的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们是由以下三大部分组成的。(1)逻辑块阵列：PLD器件的逻辑组成核心。CPLD采用与或结构，更适合组合逻辑；而FPGA采用查找表结构，有更多的寄存器，更适合同步设计。(2)输入/输出块：逻辑块和芯片引脚的接口。(3)连线资源：用于逻辑块之间、逻辑块与输入／输出块之间的连接。CPLD的连线的延时是可预测的，而FPGA的连线的延时是不可预测的，但可通过软件进行定时约束。5.1可编程逻辑器件概述5.1.2FPGA/CPLD概述

4、FPGA/CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，它们除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点：(1)能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。(2)使用FPGA/CPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。(3)用FPGA/CPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。(4)  FPGA/CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。5.1可编程逻辑器件概述5.1.3PLD的开发软件将编程文件烧写到PLD芯片中,对于CPLD和FPGA各有不同的方法。(1)  CPLD,即通过编程电缆和JTAG口(电缆一端接在计算机的并行打印口上，另一端接在P

5、CB板上的一个十芯插头)，向系统板上的器件提供编程数据。同时，CPLD也可用编程器编程。CPLD可以加密，并且很难解密。5.1可编程逻辑器件概述5.1.3PLD的开发软件(2)  FPGA。FPGA是基于SRAM工艺的，需要将数据固化在一个专用的EEPROM中。SRAM工艺的FPGA一般不可以直接加密。(3)反熔丝(Anti-fuse)技术的FPGA。这种FPGA不能重复擦写，需要使用专用编程器，所以开发过程比较麻烦，费用也比较高。但反熔丝技术也有许多优点：布线能力更强，系统速度更快，功耗更低，同时抗辐射能力强，耐高低温并可以加密，所以主要用在军事及航空航天领域。5.2CPLD/FP

6、GA结构与原理1.基于乘积项的CPLD结构CPLD主要包含三部分：宏单元(Marocell)，可编程连线(ProgrammableInterconnectionArray)和I/O接口。宏单元是CPLD的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。图5.3中FuntionBlock部分是多个宏单元的集合(因为宏单元较多，没有一一画出)。。5.2CPLD/FPGA结构与原理图5.3XC9500内部结构5.2CPLD/FPGA结构与原理图5.4宏单元的结构5.2CPLD/FPGA结构与原理图5.4宏单元的结构2.基于乘积项结构的CPLD的逻辑实现原理下面以一个简单的电路为例，说明CPLD是如何利

7、用乘积项结构实现逻辑的5.2CPLD/FPGA结构与原理设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f，则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D+B*C*!D(!D表示D的“非”)，CPLD将以下面的方式来实现组合逻辑f如图5.6所示，A，B，C，D由CPLD芯片的引脚输入后进入可编程连线阵列(PIA)，在内部会产生A，A反，B，B反，C，C反，D，D反8个输出。图中每一个叉表示相连(可编程熔丝导通)，所以得到f=f1+f2=(A*C*!D)+(B*C*!D)