EDA实验讲义2010最新版.doc

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1、第一章CPLDFPGA可编程逻辑器件1.1前言PLD是可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice）的英文缩写。在可编程逻辑器件芯片内部，按一定的排列方式集成了大量的门和触发器等基本元件。使用者可利用特定的计算机开发工具对其进行加工，即按设计要求将这些芯片内部的元件连接起来，使之实现完成某个数字逻辑电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的专用集成电路（ASIC，ApplicationSpecificIntegratedCircuit）。随着集成电路工艺的日趋完善，集成度急剧

2、增加，其功能日益强大。PLD广阔的应用前景备受业内人士的瞩目。1.2PLD的分类按照不同的分类方法，PLD可分为如下几种情况：（1）按集成度分可分为低密度和高密度两大类，如图1.1所示。图1.1PLD按集成度的分类图（2）按结构分按结构的不同可分为两类：一类是基于与/或阵列结构的器件（PORM、PLA、PAL、GAL）、CPLD（EPLD）。另一类是基于门阵列结构的器件（FPGA）。（3）按编程工艺分①熔丝和反熔丝编程器件。如Actel的FPGA器件。②SRAM器件，如Xilinx的FPGA。③UEPR

3、OM器件，即紫外线擦除/电可编程器件。如大多数的EPLD器件。④EEPROM器件。如GAL、CPLD器件。1.3PLD的发展概况PLD从20世纪70年代发展到现在，已形成了许多类型的产品，其结构、工艺、集成度、速度和性能都在不断改进和提高。最早的PLD是1970年制成的PROM(ProgrammableReadOnlyMemory)，即可编程只读存储器，它是由固定的与阵列和可编程的或阵列组成。PROM采用熔丝工艺编程，只能写一次，不能擦除和重写。随着技术的发展和应用要求，此后又出现了UVEPROM(紫外

4、线可擦除只读存储器)、EEPROM(电可擦除只读存储器)，由于它们价格低，易于编程，速度低、适合于存储函数和数据表格，因此主要用作存储器。典型的EPROM有2716、2732等。可编程逻辑阵列PIA(ProgrammableLogicArray)于20世纪70年代中期出现，它是由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，但由于器件的资源利用率低，价格较贵，编程复杂，支持PLA的开发软件有一定难度，因而没有得到广泛应用。可编程阵列逻辑PAL(ProgrammableArrayLogic)器件是1977年美国MM

5、I公司(单片存储器公司)率先推出的，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程方式，双极性工艺制造，器件的工作速度很高。由于它的输出结构种类很多，设计灵活，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件，如PALl6L8。通用阵列逻辑器件GAL(GenericArrayLogic)器件是1985年Lattice公司最先发明的可电擦写、可重复编程、可设置加密位的PLD。GAL在PAL基础上，采用了输出逻辑宏单元形式E2CMOS工艺结构。具有代表性的GAL芯片有GALl6V8、GAL20V8，这两种GA

6、L几乎能够代替所有类型的PAL器件。在实际应用中，GAL器件对PAL器件仿真具有百分之百的兼容性，所以GAL几乎完全代替了PAL器件，并可以取代大部分SSI、MSI、数字集成电路，如标准的54／74系列器件，因而获得广泛应用。PAL和GAL都属于简单PLD，结构简单，设计灵活，对开发软件的要求低，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。随着技术的发展，简单PLD在集成密度和性能方面的局限性也暴露出来，其寄存器、I/O引脚、时钟资源的数目有限，没有内部互连，因此包括EPLD、CPLD和FPGA在内的复杂PLD迅

7、速发展起来，并向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活、适用范围更宽广的方向发展。可擦除可编程逻辑器件EPLD是20世纪80年代中期Altera公司推出的基于UVEPROM和CMOS技术的PLD，后来发展到采用E2CMOS工艺制作的PLD。EPLD的基本逻辑单元是宏单元。宏单元由可编程的与或阵列、可编程寄存器和可编程I/O三部分组成。从某种意义上讲EPLD是改进的GAL，它在GAL基础上大大增加输出宏单元的数目，提供更大的与阵列，灵活性较GAL有较大改善，集成密度大幅度提高，内部连线相对固定，延时小

8、，有利于器件在高频率下工作，但内部互连能力十分弱。世界著名的半导体器件公司Altera、Xilinx、AMD、Lattice均有EPLD产品，但结构差异较大。复杂可编程逻辑器件CPLD(ComplexPLD)是20世纪80年代末Lattice公司提出的在系统可编程(ISP，InSystemProgrammability)技术以后于20世纪90年代初出现的。CPLD是在EPLD的基础上发展起来的，采用E2CMOS工艺制作，与EPLD相比，增加