第2章 FPGA CPLD结构原理课件.ppt

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1、EDA技术实用教程第2章FPGA/CPLD结构原理由基本门电路可构成两类数字电路：组合电路：输出总是当前输入状态的函数。时序电路：输出总是当前系统状态和当前输入状态的函数。2.1概述任何组合逻辑函数都可化为“与－或”表达式。任何时序电路都可由组合电路加上存储元件（锁存器、触发器、RAM等）构成。于是人们提出了用乘积项可编程逻辑结构作为基本PLD器件的原理结构。一、PLD的两种基本结构图2-1基本PLD器件的原理结构图只读存储器ROM（ReadOnlyMemory)随机存储器RAM（RandomAccessMemory)静态随机存储器SRAM（StaticRAM

2、)以后人们又从ROM的工作原理，地址信号与输出数据的关系，以及ASIC门阵列法中获得启示，构造出另外一种可编程逻辑原理结构－－SRAM查找表的逻辑形成方法。查找表的逻辑函数实现采用RAM数据查找方式，并使用多个查找表构成一个查找表阵列，称为可编程门阵列PGA（ProgrammableGateArray)>>一、可编程逻辑器件的分类>>只读存储器ROM（ReadOnlyMemory)可编程只读存储器PROM（ProgrammableROM）可擦除可编程只读存储器EPROM（ErasablePROM）随机存储器RAM（RandomAccessMemory)静态随机

3、存储器SRAM（StaticRAM)常用的存储器件PLD器件的分类－－按集成度低密度PROM,EPROM,EEPROM,PAL,PLA,GAL只能完成较小规模的逻辑电路高密度，已经有超过400万门的器件EPLD,CPLD,FPGA可用于设计大规模的数字系统集成度高，甚至可以做到SOC（SystemOnaChip）PLD器件的分类－－按结构特点基于乘积项结构的器件－－阵列型PROM，EEPROM，PAL，GAL，CPLDCPLD的代表芯片如：Altera的MAX系列基于查找表结构的器件－－单元型FPGAPLD器件的分类－－按编程工艺熔丝（Fuse）或反熔丝（An

4、tifuse）编程器件－－Actel的FPGA器件。体积小，集成度高，速度高，易加密，抗干扰，耐高温。只能一次编程，在设计初期阶段不灵活，称为OTP（OneTimeProgrammable)器件。SRAM（StaticRAM）－－大多数公司的FPGA器件。可反复编程，且编程速度快。实现系统功能的动态重构每次上电需重新下载，实际应用时需外挂EEPROM用于保存程序PLD器件的分类－－按编程工艺电擦除可编程只读存储器EEPROM（ElectricalEPROM）－－大多数早期的CPLD器件可反复编程不用每次上电重新下载，但相对速度慢，功耗较大注：EPROM（Era

5、sableProgrammableROM）型称为：可擦除可编程只读存储器。PLD器件的分类－－按编程工艺flash－－大多数目前的CPLD器件可反复编程，编程电压低，寿命长。不用每次上电重新下载，编程速度快，功耗低。逐步取代EEPROM。二、简单PLD原理1、电路符号表示2、可编程只读存储器PROM3、可编程逻辑阵列器件PLA4、可编程阵列逻辑器件PAL5、通用阵列逻辑器件GAL2.2.1电路符号表示图2-3常用逻辑门符号与现有国标符号的对照1、PLD的逻辑符号表示方法图2-4PLD的互补缓冲器图2-5PLD的互补输入图2-6PLD中与阵列表示图2-7PLD中

6、或阵列的表示图2-8阵列线连接表示2、PROM结构图2-9PROM基本结构：其逻辑函数是：PROM结构图2-10PROM的逻辑阵列结构逻辑函数表示：M行列PROM结构M07M06M05M04M03M02M01M00M17M16M15M14M13M12M11M10M27M26M25M24M23M22M21M20M37M36M35M34M33M32M31M30W0W1W2W3F7F6F5F4F3F2F1F0A1A000011011M行列列线（或）F0=M30W3+M20W2+M10W1+M00W0F1=M31W3+M21W2+M11W1+M01W0………F7=M3

7、7W3+M27W2+M17W1+M07W0行线（与）以两条地址线A1,A0为例PROM结构图2-11PROM表达的PLD图阵列图2-12用PROM完成半加器逻辑阵列PROM结构存在的问题：PROM的与阵列是全译码，产生了全部最小项。实际应用时，绝大多是组合逻辑函数并不需要所有的最小项。输入变量的增加会引起存储容量的增加，PROM的存储单元利用率大大降低。3、可编程逻辑阵列PLA结构图2-13PLA逻辑阵列示意图可编程逻辑阵列PLA结构优点：PLA不包含输入变量每个可能的最小项，仅包括在逻辑功能中实际要求的那些最小项。PROM随着输入变量增加，规模迅速增加的问题

8、在PLA中大大缓解。可编程逻辑阵列PL