EDA技术及应用 教学课件 作者 吴延海 第1-5章第2章.ppt

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1、第2章　硬件基础2.1概述2.2简单可编程逻辑器件2.3复杂可编程逻辑器件CPLD2.4现场可编程门阵列FPGA2.5可编程逻辑器件的编程与配置2.6可编程逻辑器件的选择2.1概述2.1.1可编程逻辑器件的发展历程1.标准元件20世纪60年代，单片集成电路的复杂度达到了每芯片几个简单逻辑门的水平。设计者只需从芯片目录中选取合适的元件，将它们插在面包板或印刷电路板上，通过电路板提供的连线对其进行互连，即可实现相应的逻辑功能。随着时间的推移和设计规模的不断扩大，产品目录中逐渐出现了更加复杂的元件，集成电路从小规模集成(SmallScaleIntegrated，S

2、SI)电路(通常包含10个或更少的逻辑门)发展到中规模集成(MediumScaleIntegrated，MSI)电路(通常包含10～100个逻辑门)。我们熟知的TI公司的7400芯片就是MSI电路典型的例子。在20世纪70年代，随着集成度的不断增加，设计师们尝试使用更高密度的元件来实现逻辑功能，微处理器及随机访问存储器(SRAM)这一类通用元件被设计师们广泛用于系统的设计，集成电路的规模也发展到了大规模集成(LargeScaleIntegrated，LSI)电路(通常包含几万个逻辑门)，例如Intel8008微处理器等。2.专用集成电路　　随着系统规模的不

3、断扩大，过多的元件及互连线可能导致功耗高、占用空间大、可靠性差等问题，传统的设计手段已无法满足超大规模集成(VeryLargeScaleIntegrated，VLSI)电路(通常包含10万～1000万个逻辑门)、甚大规模集成(UltraLargeScaleIntegrated，ULSI)电路(通常包含1000万以上个逻辑门)的要求。20世纪80年代，借助于飞速发展的半导体技术及计算机技术，设计师们提出了“EDA技术”的概念，即借助于计算机强大的处理能力，利用软件及硬件描述语言HDL来完成数字系统的设计，数字系统的设计流程也由传统的“自底向上”转换为“自顶向下

4、”，由此出现了ASIC技术。所谓ASIC，是指专门为某一应用领域或为专门用户需要而设计、制造的电路，它可以将某些专用电路或电子系统设计在一个芯片上，构成单片集成系统。利用ASIC设计数字系统时，设计者可以利用计算机对系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路可以采用一片或几片专用集成电路来实现，因而使系统的体积和重量减小，功耗降低，而且这种系统还具有高性能、高可靠性和保密性好等优点。3.可编程逻辑器件　　尽管ASIC具有诸多的优点，但它存在着成本高、开发周期长、无法用于实验原型验证等问题，因而又出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的是现场可

5、编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。　　早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器(PROM)、紫外线擦除只读存储器(EPROM)和电可擦除只读存储器(EEPROM)三种。其后，出现了一类结构稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(PLD)，为了和后期的CPLD、FPGA加以区别，我们通常将这一类器件称为简单可编程逻辑器件(SPLD)。利用SPLD能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积项的形式完成大量的组合逻辑功能。SPLD的代表有可

6、编程阵列逻辑(PAL)和通用阵列逻辑(GAL)。PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA)，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL(GenericArrayLogic)，如GAL16V8、GAL22V10等。它们采用EEPR

7、OM工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而其设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期，Altera和Xilinx相继推出了类似于PAL结构的CPLD(ComplexProgrammableLogicDvice)以及与ASIC标准门阵列类似的FPGA(FieldProgrammableGateArray)，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点。这两种器

8、件兼容了SPLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的