可编程逻辑器件CPLD课件.ppt

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1、第27章可编程逻辑器件CPLD可编程逻辑器件是单片机之外另一种常用的逻辑控制单元。它是一种半定制专用集成电路（ASIC），其功能可由设计者根据自己的需要来加以定义。目前普遍使用的有CPLD和FPGA两种，其以工作速度快、集成度高、功耗低、适应性强等优点，受到广大电子设计人员的普遍欢迎。CPLD/FPGA和单片机一样，都是可重复擦写的器件，不过这两者是按照不同的原理而设计的。其性能各有优劣，有些功能两者都可以实现，但有些功能用单片机或CPLD/FPGA实现比较方便。因此，对于复杂的系统，很多时候需要两者配合使用，发挥各自的优势。本章主要以广泛使用的Altera的EPM7128SLC84-15芯

2、片为例进行介绍，包括程序下载以及如何实现使用CPLD来扩展单片机I/O接口。27.1可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice）简称PLD，是一种用户可配置的逻辑器件。其以成本低、使用灵活，设计周期短和可靠性高等优点，近年来得到快速的发展，目前成为专用集成电路（ASIC—ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的一个重要分支。27.1.1可编程逻辑器件的发展可编程逻辑器件从产生到现在经历了不到40年的发展，其结构、工艺、集成度、速度和性能等都得到不断改进和提高，现在已经形成很丰富完善的产品体系。20世纪70年代，出现了最

3、早的可编程逻辑器件PROM，以及可编程逻辑阵列（ProgrammableLogicArray，简称为PLA）和可编程阵列逻辑（ProgrammableArrayLogic，简称为PAL）。20世纪80年代，进入实质性的发展阶段。Altera推出了新型的可编程逻辑器件（ErasableProgrammableLogicDevice，简称为EPLD）。同时，Xilinx推出了现场可编程逻辑器件（FieldProgrammableGateArray，简称为FPGA）。紧接着，Lattice又推出了复杂可编程逻辑器件（ComplexPLD，简称为CPLD）。20世纪90年代以后，随着集成电路制造工艺

4、的发展，CPLD和FPGA的集成度越来越高，规模越来越大，设计方式越来越灵活，设计软件也逐步完善。27.1.2CPLD的结构及其逻辑实现可编程逻辑器件PLD结构上是由与阵列和或阵列构成，原理是基于所有的逻辑电路都可以用“积之和”的布尔方程来表示。其中，两级逻辑阵列的一个阵列或全部阵列可以通过编程来实现不同的组合，从而达到要求的逻辑功能。目前应用最为广泛的是CPLD和FPGA，这两者在结构上是完全不同的。这里首先介绍CPLD的结构及其逻辑实现。1．CPLD的内部结构2．CPLD的逻辑实现27.1.3FPGA的结构及其逻辑实现FPGA具有与CPLD完全不同的内部结构，其内部是类似于门阵列的结构，

5、可编程的逻辑单元位于芯片的中央，并排成阵列，四周采用可编程的I/O焊盘连接。逻辑单元之间使用可编程的互连资源，用来实现逻辑单元以及I/O引脚之间的联通，从而实现复杂的逻辑功能。FPGA一般都含有成千上万的逻辑门单元，还有许多触发器。FPGA的逻辑单元可以分为两种：粗粒结构和细粒结构。粗粒结构的FPGA，其逻辑单元较大，一般含有两个以上的查询表和触发器，比较适合高性能方面的应用。细粒结构的则逻辑单元相对较小，功能逻辑模块和触发器都相对较少。与CPLD相比，FPGA的容量通常大于CPLD，而且FPGA的逻辑单元扇入小，触发器数量比CPLD要多，布局和布线的延时是不确定的，但一般是可知的。27.2

6、硬件描述语言简述硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage）简称为HDL，是一种能够以形式化方式描述电子系统的硬件行为、结构和数据流的语言。硬件描述语言借鉴了其它高级语言的功能特性，对数字电路的结构和行为进行了高度抽象化、规范化的形式描述，并对设计进行不同层次的仿真和优化。硬件描述语言是伴随着大规模集成电路的发展而形成的，至今已有40多年的历史，主要用来解决大规模复杂集成电路的设计问题。特别是CPLD和FPGA广泛普及后，硬件描述语言在广大电子工程师中得到广泛应用。很多EDA厂商和科研机构都开发了自己的电路硬件描述语言，比较有名的有Altera公司的AHDL语言，D

7、ataI/O公司的ABEL-HDL语言，Xilinx公司的VerilogHDL语言。由于这些硬件描述语言之间不能通用，限制了CPLD和FPGA的广泛使用。此时迫切需要建立一个统一的标准。27.2.1硬件描述语言VHDL概述VHDL（VHSICHardwareDescriptionLanguage）语言是一种硬件描述语言，20世纪80年代初，由美国国防部在其超高速集成电路计划（VHSIC）中提出。后来，该语言逐