第6章 可编程逻辑器件

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6.1.2 阵列型PLD
阵列型PLD包括PROM、PLA、PAL、GAL、 EPLD和CPLD。 1、简单PLD的基本结构 PLD缓冲器的表示法 A
A A PLD是输入、输出缓冲器都采用了互补输出结构。
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PLD的与门表示法
A B C D P(乘积项)
A B D
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PLD的出现，给数字系统的传统设计法带来新 的变革。采用PLD进行的数字系统设计，是基于芯 片的设计或称之为“自底向上”（Bottom-Up）的 设计，它跟传统的积木式设计有本质的不同。它可 以直接通过设计PLD芯片来实现数字系统功能，将 原来由电路板设计完成的大部分工作放在PLD芯片 的设计中进行。这种新的设计方法能够由设计者根 据实际情况和要求定义器件的内部逻辑关系和管脚， 这样可通过芯片设计实现多种数字系统功能，同时 由于管脚定义的灵活性，不但大大减轻了系统设计 的工作量和难度，提高了工作效率，而且还可以减 少芯片数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高 系统的稳定性和可靠性。
（1）多触发器结构和“隐埋”触发器结构。 （2）乘积项共享结构。
（3）移步时钟和时钟选择。
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2）可编程I/O单元
它是芯片内部信号到I/O引脚的接口部分。
3）可编程内部连线
可编程内部连线的作用是给各逻辑宏单元之间及 逻辑宏单元与I/O单元之间提供网络连接。各逻辑宏 单元通过可编程内部连线接受来自专用输入端或通用 输入端的信号，并将宏单元的信号反馈到其需要到达 的目的地。
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6.1 可编程逻辑器件的基本原理
PROM是始于1970年出现第一块可编程逻辑器件 PLD（Programmable Logic Device），随后可编程逻辑 器件又陆续出现了PLA、PAL、GAL、EPLD及现阶段 的CPLD和FPGA等。可编程逻辑器件的出现，不仅改 变了传统的数字系统设计方法，而且促进了EDA技术 的高速发展。EDA技术是以计算机为工具，代替人去 完成数字系统设计中各种复杂的逻辑综合、布局布线 和设计仿真等工作。设计者只需用硬件描述语言完成 对系统功能的描述，就可以由计算机软件自行完成处 理，得到设计结果。利用EDA工具进行设计，可以极 大地提高设计的效率。
可编程I/O单元
可编程内部连接线
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LAB
LAB
LAB
LAB
可编程逻辑宏单元
LAB LAB
LAB LAB
LAB LAB
LAB LAB
可编程I/O单元
可编程内部连线
LAB
LAB
LAB
LAB
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1）可编程逻辑宏单元
可编程逻辑宏单元是器件的逻辑组成核心，宏单 元内部包括与或阵列、可编程触发器和多路选择器等 电路，能独立的配置为时序逻辑或组合逻辑工作方式。
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IEEE标准的HDL（如VHDL 和Verilog HDL）给 PLD和数字系统的设计带来了更新的设计方法和理念， 产生了目前最常用的并称之为“自顶向下”（TopDown）的设计法。自顶向下的设计采用功能分割的 方法从顶向下逐次将设计内容进行分块和细化。在 设计过程中采用层次化和模块化将使系统设计变得 简洁和方便，其基本设计思想如图7.15所示。层次化 设计是分层次、分模块地进行设计描述。描述器件 总功能的模块放在最上层，称为顶层设计；描述器 件某一部分功能的模块放在下层，称为底层设计； 底层模块还可以再向下分层，直至最后完成硬件电 子系统电路的整体设计。
PLD的发展历程
1、20世纪70年代，熔丝编程的PROM和PLA器件是最早的可 编程逻辑器件。 2、20世纪70年代末，对PLA进行了改进，AMD公司推出了 PAL器件。 3、20世纪80年代初，Lattice公司发明电可擦写的、比PAL使 用更灵活的GAL器件。 4、20世纪80年代中期，Xilinx公司推出现场可编程概念，同时 生产出了世界上第一片FPGA器件。同一时期，Altera公司 推出了EPLD器件，较GAL器件有更高的集成度，可以用 紫外线或电擦出。 5、 20世纪80年代末， Lattice公司推出了一系列具备在系统可 编程能力的CPLD器件，将可编程器件的性能和应用技术 推向了一个全新的高度。 6、 20世纪90年代后，可编程逻辑集成电路技术进入飞速发展 时期。
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3）按编程特性分类 一次编程型：采用反熔丝开关元件。 优点：体积小、集成度高、互联线特性阻抗低、寄生 电容小及可获得较高的速度。 缺点：只能一次编程，一旦将设计数据写入芯片后就 不能再修改设计。 可重复编程型：采用SRAM开关元件或快闪存储器控 制的开关元件。 优点：可反复编程，系统上电时，给FPGA加载不同 的配置数据即可令其完成不同的硬件功能。 缺点：易失真，每次重新加电，FPGA都要重新装入 配置数据。
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6.1.3 现场可编程门阵列FPGA
1、FPGA的分类 1）按逻辑功能块的大小分类 细粒度FPGA：逻辑功能块一般较小，仅有几个晶体 管组成，非常类似于半定制门阵列的基本单元。 优点：资源可以被完全利用。 缺点：完成复杂的逻辑功能需要大量的连线和开关， 速度慢。 粗粒度FPGA：逻辑块规模大。 优点：功能强，完成复杂逻辑只需要较少的功能块和 内部连线，性能较好。 缺点：功能块的资源有时不能充分被利用。
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6.1.1 可编程逻辑器件的分类
可编程逻辑器件 (PLD)
低密度可编程逻辑 器件(LDPLD)
高密度可编程逻辑 器件(HDPLD)
PROM
PLA
PAL
GAL
EPLD
CPLD
FPGA
可编程逻辑器件的密度分类
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1． 按集成密度分类 a、低密度可编程逻辑器件LDPLD。 LDPLD 通常是指早期发展起来的、集成密度小 于1000门/片左右的PLD如ROM、PLA、PAL和GAL 等。 b、高密度可编程逻辑器件HDPLD两类。 HDPLD包括可擦除可编程逻辑器件EPLD （Erasable Programmable Logic Device）、复杂可编 程逻辑器件CPLD（Complex PLD）和FPGA三种， 其集成密度大于1000门/片。如Altera公司的 EPM9560，其密度为12000门/片，Lattice公司的 pLSI/ispLSI3320为14000门/片等。目前集成度最高 的HDPLD可达25万门/片以上。
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根据各种可编程元件的结构及编程方式，可编程逻 辑器件通常又可以分为四类： ① 采用一次性编程的熔丝（Fuse）或反熔丝（Antifuse） 元件的可编程器件，如PROM、PAL和EPLD等。
② 采用紫外线擦除、电可编程元件，即采用EPROM、 UVCMOS工艺结构的可多次编程器件。
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2. 按编程方式分类
可编程逻辑器件的编程方式分为两类：
a、一次性编程OTP（One Time Programmable）器件。 OTP器件是属于一次性使用的器件，只允许用户 对器件编程一次，编程后不能修改，其优点是可 靠性与集成度高，抗干扰性强。
b、可多次编程MTP（Many Time Programmable）器 件。MTP器件是属于可多次重复使用的器件，允 许用户对其进行多次编程、修改或设计，特别适 合于系统样机的研制和初级设计者的使用。
2）输入输出模块（IOB）
提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接。 由输入触发器、输入缓冲器和输出触发器/锁存器、 输出缓冲器组成。
3）可编程互联资源（IR）
可编程互连资源可以将FPGA内部的CLB和CLB 之间、CLB和IOB之间连接起来，构成具有复杂功能 的系统。
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6.1.4 基于查找表（LUT）的结构
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2、FPGA的基本结构
可编程开关矩阵
CLB CLB CLB CLB
CLB
CLB
CLB
CLB
可编程输入/输出模块
CLB
CLB
CLB
CLB
互连资源
CLB
CLB
CLB
CLB
可编程逻辑模块
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1）可编程逻辑块（CLB）
由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器和变 换电路等组成。
P
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PLD的或门表示法
P1 P2 P 3 P 4 F
P2 P1 P3 P4
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PLD中与门的简略表示法
A B P1 P2 P3
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简单PLD的基本结构框图
输 入 电 路
与 阵 列
或 阵 列
输 出 电 路
输出
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PLA阵列结构
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2）按互联结构分类 分段互联型FPGA：有长度不同的多种金属线，各金 属线之间通过开关矩阵或反熔丝变成连接。 优点：走线灵活，有多种可行方案。 缺点：走线延时与布局布线的具体处理过程有关，在 设计完成之前无法预测。 连续互联型FPGA：用贯穿于整个芯片的长线来实现 逻辑功能块之间的互连，连接于距离远近无关。 优点：布线延时是固定的和可预测的。
第6章 可编程逻辑器件
• 本章概要：本章介绍 PLA、PAL、GAL、CPLD、
EPLD和FPGA等各种类型可编程逻辑器件的电路结 构、工作原理和使用方法，并介绍可编程逻辑器件 的编程方法。
•知识要点：
（1）可编程逻辑器件的分类。
（2）可编程逻辑器件的结构及特性。