第02讲_可编程逻辑器件和IP核
可编程逻辑器件及应用 要件
可编程逻辑器件及应用要件可编程逻辑器件（Programmable Logic Devices，简称PLD）是一类能够根据用户需求重新配置其内部电路的集成电路器件。
它们可以实现逻辑功能的编程实现，具有灵活性高、可重构性强的特点。
本文将介绍可编程逻辑器件的基本原理及其在各个领域中的应用。
一、可编程逻辑器件的基本原理可编程逻辑器件是以可编程电路为基础的集成电路器件，它的内部包含了大量的可编程逻辑门电路和可编程互连电路。
它通过在器件内部存储器中存储逻辑功能表，再通过编程设备将用户设计的逻辑功能表下载到可编程逻辑器件中，从而实现逻辑功能的编程实现。
可编程逻辑器件通常由可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，简称PLA）和可编程互连阵列（Programmable Interconnect Array，简称PIA）组成。
可编程逻辑阵列由多个可编程逻辑门组成，可编程互连阵列则用于连接可编程逻辑阵列内的逻辑门。
用户可以通过编程设备将逻辑功能表下载到可编程逻辑器件中，从而实现特定的逻辑功能。
二、可编程逻辑器件的应用1. 数字逻辑电路设计可编程逻辑器件广泛应用于数字逻辑电路的设计中。
在数字电路中，可编程逻辑器件可以实现与、或、非等逻辑门的功能，可以根据用户需求进行编程配置，从而实现各种复杂的逻辑功能。
在数字系统的设计中，可编程逻辑器件可以有效地减少电路的复杂性，提高系统的可靠性和可维护性。
2. 通信设备可编程逻辑器件在通信设备中的应用也非常广泛。
例如，在通信网络中，可编程逻辑器件可以实现数据包的处理和路由功能，提高数据传输的效率和可靠性。
另外，可编程逻辑器件还可以用于网络安全的实现，通过编程配置可以对网络中的数据进行加密和解密，提高网络的安全性。
3. 工业自动化在工业自动化领域，可编程逻辑器件也扮演着重要的角色。
可编程逻辑器件可以用于控制系统的设计和实现，实现工业设备的自动化控制。
通过编程配置，可编程逻辑器件可以根据不同的输入信号产生相应的输出信号，从而实现对工业设备的控制和调节。
FPGA芯片结构工作原理与软核硬核固核详解
FPGA芯片结构工作原理与软核硬核固核详解FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它以其灵活性和可配置性在数字电路设计中广泛应用。
FPGA的结构和工作原理涉及到软核、硬核和固核等概念，下面将对这些内容进行详解。
首先，我们来看FPGA的结构。
FPGA通常包含三个主要的部分：可编程逻辑单元（PLU）、可编程的开关矩阵（Switch Matrix）和输入/输出资源（IOs）。
PLU是FPGA的核心部分，它由可编程的逻辑单元（Look-Up Tables，LUTs）和触发器（Flip-Flops）组成。
LUTs可以通过编程来实现特定逻辑功能，而Flip-Flops用于存储状态信息。
Switch Matrix 用于连接PLU中的逻辑单元，实现不同逻辑单元之间的信号传输。
IOs用于与外部设备进行数据输入和输出。
FPGA的工作原理基于可编程逻辑单元和开关矩阵的组合。
开发者可以使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写逻辑电路的描述，并通过设计软件将其映射到FPGA上。
软件工具会将逻辑电路的描述翻译成FPGA的配置位流（Configuration Bitstream），然后通过JTAG或其他方式将配置位流加载到FPGA中。
一旦配置完成，FPGA开始执行逻辑电路的功能，通过开关矩阵和PLU来实现信号的传输和处理。
通过重新编程可以改变FPGA中的逻辑电路功能，实现动态的功能更新。
接下来，我们来介绍软核、硬核和固核的概念。
软核（soft core）是指在FPGA芯片上实现的软件模拟的处理器。
软核是通过编程实现的，不同的开发者可以根据自己的需求来编写软核的代码。
软核具有灵活性，可以根据应用的要求进行修改和定制，但其性能通常低于硬核。
硬核（hard core）是指在FPGA芯片设计过程中由厂商提供的硬件IP核。
硬核是由硬件描述语言编写的，具有高性能和低功耗的特点。
第2讲 可编程逻辑器件pro
3.6 编程与配置
基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术
编程工艺
基于SRAM查找表的编程单元
基于反熔丝编程单元
表3-3 图3-28接口各引脚信号名称
引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
PS模式
DCK
GND
CONF_DONE
VCC
nCONFIG
-
nSTATUS
-
DATA0
GND
3.3 CPLD的结构与工作原理
5．I/O控制块
图3-22 EPM7128S器件的I/O控制块
KX
康芯科技
3.4 FPGA的结构与工作原理
3.4.1 查找表逻辑结构
输入A 输入B 输入C 输入D 多路选择器
输入1 输入2 输入3 输入4
16×1 RAM
查找表 LUT
输出
图3-23 FPGA查找表单元
PLA (Programmable Logic Array)
PAL (Programmable Array Logic)
GAL (Generic Array Logic)
EPLD CPLD
FPGA
3.1 概
述
可编程逻辑器件（PLD）
3.1.2 可编程逻辑器件的分类
简单 PLD
复杂 PLD
PROM
PLA
3.2.1 电路符号表示
图3-7 PLD中或阵列的表示
图3-8 阵列线连接表示
3.2 简单可编程逻辑器件原理
3.2.2 PROM
A1 A0 或阵列 （可编程）
A1 A1 A0 A 0 与阵列（固定）
图3-9 PROM表达的PLD阵列图
F1
可编程逻辑器件及应用 技法
可编程逻辑器件及应用技法一、可编程逻辑器件的概念及种类可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是一种可以根据用户需要进行编程的数字电路。
它由固定数量的逻辑单元、输入/输出端口和可编程互连网络组成。
根据其结构和功能特点，可编程逻辑器件主要分为三类：可编程门阵列（Programmable Array Logic，PAL）、可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）和复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）。
1. 可编程门阵列（PAL）可编程门阵列是最早出现的一种PLD。
它由一个或多个输入端口、一个或多个输出端口以及一组与这些输入输出端口相连的逻辑门组成。
PAL中每个逻辑门都有一个开关控制其是否参与运算。
PAL可以通过改变开关状态来改变电路功能。
2. 可编程逻辑阵列（PLA）可编程逻辑阵列是在PAL的基础上发展起来的。
与PAL不同的是，PLA中每个逻辑门都有两个开关控制其是否参与运算。
这样就可以实现更加复杂的电路功能。
3. 复杂可编程逻辑器件（CPLD）复杂可编程逻辑器件是一种集成度更高、功能更强大的PLD。
它由多个可编程逻辑单元（Programmable Logic Block，PLB）组成，每个PLB包含多个可编程逻辑门、输入/输出端口和可编程互连网络。
CPLD可以实现更加复杂的电路功能，并且具有更高的速度和密度。
二、可编程逻辑器件的应用1. 数字电路设计可编程逻辑器件可以根据用户需要进行编程，因此在数字电路设计中得到了广泛应用。
例如，可以使用PAL或PLA来实现简单的逻辑功能，使用CPLD来实现复杂的电路功能。
2. 通信系统通信系统中需要对数据进行处理和传输，因此需要大量的数字电路。
可编程逻辑器件可以根据通信系统的需求进行编程，从而实现各种不同的数据处理和传输功能。
3. 控制系统控制系统中需要对各种参数进行测量和控制。
[工学]第2章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件
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PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
CPLD概述
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
CPLD概述
基于乘积项阵列型CPLD的组成：
● 可编程内部连线
● 逻辑块
● I/O单元
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
Altera公司的CPLD
Altera公司生产的PLD器件主要有： ● ● ● ● ● ● ● ● ● Classic系列 MAX系列 FLEX系列 ACEX系列 APEX系列 Mercury系列 Excalibur系列 Stratix系列 Cyclone系列 CPLD
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
上电时，由这片配置EEPROM先对FPGA/CPLD
加载数据，十几毫秒后，FPGA/CPLD即可正常工作
(亦可由CPU配置FPGA/CPLD)。
对用户而言，CPLD与FPGA的内部结构稍有不
同，但用法一样，所以多数情况下不加以区分。
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
（f）
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
20世纪70年代初期的PLD主要是：
可编程只读存储器PROM（Programmable Read Only Memory） 可编程逻辑阵列PLA（Programmable Logic Array）。
PLD及应用
A0 A1 A3
第2章可编程逻辑器件
Y0 Y1
PLD及应用
第2章可编程逻辑器件
CPLD通常基于乘积项(product-term)技术， 采用EEPROM(或Flash)工艺，如Altera公司的MAX 系列、Lattice公司的大部分产品及Xilinx公司的 XC9500系列，这种CPLD都支持ISP技术在线编程， 也可用编程器编程，并且可以加密。 FPGA通常基于查找表(Look Up Table，LUT) 技术，采用SRAM工艺，如Altera公司的FLEX、 ACEX、APEX系列和Xilinx公司的Spartan与Virtex 系列。由于SRAM工艺的特点——掉电后数据会消失， 因此调试期间可以用下载电缆配置FPGA/CPLD器件， 调试完成后，需要将数据固化在一个专用的 EEPROM中(用通用编程器烧写)。
《可编程逻辑器件》PPT课件
13
2） 与、或全编程： 代表器件是FPLA（Field Programmable Logic
Array） 3）与编程、或固定： 代表器件PAL（Programmable Array Logic） 和GAL（Generic Array Logic） 、EPLD、FPGA （Field Programmable Gate Array ）。
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35
GAL16V8逻辑图及引脚图
1
0
8
16
24
31
CK
0
19
OLM C
2
（ 19）
8
18
OLM C
3
（ 18）
16
4
17 OLM C （ 17）
24
16
5
OLM C （ 16）
可编程逻辑器件PLD
LDPLD （低密度 PLD）
HDPLD （高密度PLD）
PROM FPLA PAL GAL EPLD iSP FPGA
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8.2 现场可编程逻辑阵列（FPLA）
组合电路和时序电路结构的通用形式
A0~An-1
W0 D0
W(2n-1) Dm
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32
卡诺图化简：
YL 0 B A
00 DC
00 1 01 1
01 11 10
1 1 11
11
10
YL 1
BA 00
01
11 10
DC
00
01
11
11
10 1 1
1
YL 2
BA 00
01
DC
00
可编程逻辑器件及应用
可编程逻辑器件及应用可编程逻辑器件（PLD）是一种电子器件，能够根据用户的需求和程序逻辑实现不同的功能。
它们被广泛应用于数字电路设计、自动化控制系统和嵌入式系统等领域。
本文将深入探讨可编程逻辑器件的原理、分类、优势及其在各个领域的应用。
一、可编程逻辑器件的原理可编程逻辑器件的核心是可编程逻辑阵列（PLA）或可编程逻辑门阵列（PLGA）。
它由一系列基本逻辑门（如与门、或门和非门）和可编程的互连网络组成。
用户可以通过编程器将逻辑功能和互连关系编程到可编程逻辑阵列中，从而实现特定的逻辑功能。
二、可编程逻辑器件的分类根据实现的逻辑功能不同，可编程逻辑器件可以分为可编程逻辑阵列（PLA）、可编程阵列逻辑器件（PAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）等几个主要类别。
1. 可编程逻辑阵列（PLA）可编程逻辑阵列（PLA）是最早出现的可编程逻辑器件之一。
它具有灵活的结构和编程方式，可以实现复杂的逻辑功能。
PLA的主要特点是可编程的输入和输出逻辑功能以及可编程的互连关系。
2. 可编程阵列逻辑器件（PAL）可编程阵列逻辑器件（PAL）与PLA类似，但它的输入逻辑功能是固定的，只有互连关系是可编程的。
PAL的制造成本较低，适合一些较简单的逻辑功能应用。
3. 复杂可编程逻辑器件（CPLD）复杂可编程逻辑器件（CPLD）是可编程逻辑器件的进一步发展。
CPLD通过集成多个可编程逻辑阵列和可编程互连网络，能够实现更复杂的逻辑功能。
CPLD具有较高的灵活性和可扩展性。
4. 现场可编程门阵列（FPGA）现场可编程门阵列（FPGA）是最灵活和最强大的可编程逻辑器件。
FPGA由大量可编程逻辑块（CLB）、可编程互连网络和输入/输出模块组成。
它可以根据用户的需求和程序逻辑实现几乎任何逻辑功能。
三、可编程逻辑器件的优势可编程逻辑器件相比于固定功能的逻辑器件具有以下几个优势：1. 灵活性：可编程逻辑器件可以根据用户的需求进行编程，实现不同的逻辑功能。
可编程逻辑器件
可编程逻辑器件可编程逻辑器件（Programmable Logic Devices，简称PLDs）是一种广泛应用于数字电路设计中的集成电路元件。
通过配置，PLDs可以实现各种逻辑功能，从简单的门电路到复杂的数码系统。
PLDs的灵活性和可编程性使得它们成为数字系统设计中不可或缺的组成部分。
PLD的基本原理PLDs由可编程逻辑阵列（PAL）、可编程阵列逻辑器件（PAL）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）等几种类型组成。
这些器件包含大量的逻辑门和触发器，用户可以通过编程软件将这些逻辑资源连接在一起，实现特定的逻辑功能。
PLDs的编程可以通过硬件描述语言（HDL）或专门的编程工具完成。
PLD的优势1.灵活性：PLDs可以根据设计需求进行重新编程，而无需更换硬件。
2.快速开发：通过使用PLDs，设计人员可以快速验证设计概念并快速上市。
3.低成本：PLDs的生产成本相对较低，可以有效降低数字系统设计的总体成本。
4.集成度高：PLDs中集成了大量的逻辑资源，可以替代多个离散器件，减小系统的体积和功耗。
PLD的应用领域PLDs在许多领域中得到广泛应用，包括但不限于：•通信：PLDs被用于设计各种通信设备中的数字处理部分，如路由器、交换机等。
•工业控制：PLDs可以用于实现工业控制系统中的逻辑控制功能，提高系统的稳定性和灵活性。
•消费电子：PLDs常被应用于消费电子产品中，如电视、音响等，以实现功能的定制和更新。
•汽车电子：PLDs在汽车电子系统中扮演着重要的角色，可以用于实现车载娱乐系统、发动机控制等功能。
结语可编程逻辑器件（PLDs）作为数字电路设计的重要组成部分，具有灵活性、快速开发、低成本和高集成度等优势，在通信、工业控制、消费电子和汽车电子等领域具有广泛的应用前景。
随着技术的不断进步，PLDs将继续发挥重要作用，为数字系统设计带来更大的便利和创新。
电路中的可编程逻辑器件与FPGA
电路中的可编程逻辑器件与FPGA 电路中的可编程逻辑器件与FPGA（Field-Programmable Gate Array），是当代数字电路设计与实现中的重要组成部分。
它们在计算机硬件、通信系统、嵌入式系统以及人工智能等领域都有广泛的应用。
本文将从可编程逻辑器件的概念、分类和应用等方面进行详细探讨。
一、可编程逻辑器件的概念可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是指可以根据需要进行逻辑功能变换的器件。
它采用可编程技术，可以根据用户的设计要求来实现特定的逻辑功能，适应不同的应用场景。
可编程逻辑器件的核心是可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）和可编程电路阵列（Programmable Array Logic，PAL），它们提供了用于实现布尔逻辑函数的逻辑门和开关元件。
二、可编程逻辑器件的分类根据器件的结构和工作原理，可编程逻辑器件可以分为CPLD （Complex Programmable Logic Device）、FPGA、ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）等几种类型。
1. CPLDCPLD是一种逻辑器件，它可以实现中等规模的逻辑功能。
与FPGA相比，CPLD具有更高的可靠性和稳定性。
CPLD的核心是可编程逻辑阵列和可编程时钟网络。
它适用于中等规模的逻辑系统设计，如控制逻辑、接口逻辑等。
2. FPGAFPGA是一种可编程逻辑器件，它具备高度灵活性和可重构性。
FPGA的核心是可编程逻辑阵列和可编程互连网络。
通过在逻辑阵列中配置相应的逻辑元件和互连开关，可以实现特定的逻辑功能。
FPGA适用于大规模的逻辑系统设计，具有强大的并行处理能力和丰富的资源。
3. ASICASIC是一种专用集成电路，可以实现特定的应用功能。
与FPGA相比，ASIC通常具有更高的性能和更低的功耗。
可编程逻辑器件
1
数字逻辑
7.1
可编程逻辑器件的发展和分类
自从 30多年前第一片 PLD问世以来， PLD的技术发展一
直在不断地前进。 PLD器件的设计思想来源于可编程只 读 存 储 器 （ Programmable Read Only Memory ， PROM），最初的PLD 是20世纪70年代中期出现的可编 程逻辑阵列（ Programmable Logic Array， PLA ）， PLA在结构上由可编程的与阵列和可编程的或阵列构成， 其阵列规模小、编程麻烦，并没有得到广泛的应用。随 后 出 现 了 可 编 程 阵 列 逻 辑 （ Programmable Array Logic，PAL），PAL由可编程的与阵列和不可编程的或 阵列构成，采用熔丝编程的方式，设计较 PLA 灵活，器 件速度快，是第一种得到普遍应用的PLD器件。
10
数字逻辑
7.1
可编程逻辑器件的发展和分类
(2) 可编程逻辑阵列PLA PLA在结构上由可编程的与阵列和可编程的或阵列构成，
其输出电路固定、阵列规模小、编程麻烦，因而并没得 到广泛的应用。与PROM相比，PLA具有如下特点： ① PROM是与阵列固定、或阵列可编程，而PLA是与和 或阵列全可编程。 ② PROM与阵列是全译码的形式，而PLA是根据需要产 生乘积项，从而减小了阵列的规模。 ③ PROM实现的逻辑函数采用最小项表达式来描述；而 用PLA实现逻辑函数时，运用简化后的最简与或式，即 由与阵列构成乘积项，根据逻辑函数由或阵列实现相应 乘积项的或运算。 ④ 在PLA中，对多输入、多输出的逻辑函数可以利用公 共的与项，因而提高了阵列的利用率。
17
数字逻辑
7.1
可编程逻辑器件的发展和分类
可编程逻辑器件
结构基于SRAM查找表，采用RAM“数据”查找的方式，用
SRAM(静态随机存储器) 来构成逻辑函数发生器。
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3.1 可编程逻辑器件概述 Nhomakorabea一个N输入查找表（LUT）可以实现N个输入变量的任何逻辑功
能，如N输入“与”、N输入“异或”等。图3-2所示为4输入LUT，
其内部结构如图3-3所示。
Altera是著名的PLD生产器件厂商，多年来一直占据着行业领先的
地位。Altera公司可编程逻辑器件具有高性能、高集成度和高性价比的
优点，此外它还提供功能全面地开发工具和丰富的IP核、宏功能库等。
因此Altera的产品获得了广泛的应用。
Altera公司的可编程逻辑器件产品有多个系列。按照推出的先后顺
序依次为Classic系列、MAX（Multiple Array Matrix）系列、FLEX
（Flexible Logic Element Matrix）系列、APEX（Advanced Logic
Element Matrix）系列、ACEX系列、APEXⅡ系列、Cyclone系列、
Stratix系列、MAXⅡ系列、CycloneⅡ系列和StratixⅡ系列。
1）熔丝（Fuse）型器件。早期的PROM器件就是采用熔丝结构的， 编程过程就是根据设计的熔丝图文件来烧断对应的熔丝，达到编程的目 的。
2）反熔丝（Antifuse）型器件。对熔丝技术的改进，在编程处通过 击穿漏层使得两点之间获得导通，这与熔丝烧断获得开路正好相反。某 些FPGA器件采用了此种编程方式，如Xilinx公司的XC5000系列器件和 Actel的FPGA器件。
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3.2 Altera公司系列器件简介
第2章 大规模可编程逻辑器件
2.1.3 常用CPLD 和FPGA标识的含义
1． CPLD和FPGA 标识概说 （1）用于说明生产厂家的，如：Lattice，Altera，Xilinx 是其公司名称。 （ 2 ） 注 册 商 标 ， 如 ： MAX 是 为 Altera 公 司 其 CPLD 产 品 MAX系列注册的商标。 （3）产品型号，如EPM7128SLC84-15，是Altera公司的 一种CPLD（EPLD）的型号，是需要重点掌握的。 （4）产品序列号，是说明产品生产过程中的编号，是产 品身份的标志，相当于人的身份证。 （5）产地与其它说明，由于跨国公司跨国经营，世界日 益全球化，有些产品还有产地说明，如：Made in China（中 国制造）。
EPM240GT100C3ES ： MAX Ⅱ 系 列 FPGA 产 品 ， 逻 辑 单 元数为240个，TQFP封装，100个引脚，速度等级为3级， 适 用 温 度 范 围 为 商 用 级 (0℃ ～ 85℃) ， ES 表 示 是 工 程 样 品 (Engineering sample)。
物信学院
ispLSI1032E-125 LJ：ispLSI1000E系列CPLD，通用逻 辑块GLB数为32个(相当逻辑宏单元数128)，工作频率最大 为125 MHz，PLCC84封装，低电压型商用产品。
LFEC20E-4F484C: EC系列FPGA，20 k个查找表，1.2 V 供电电压，速度等级为4级，fpBGA484封装，适用温度范围 为商用级(0℃～85℃)。
LFE2-50E-7F672C: ECP2系列FPGA，50 k个查找表， 1.2 V供电电压，速度等级为7级，fpBGA672封装，适用温 度范围为商用级(0℃～85℃)。
可编程逻辑器件中的编程方法
可编程逻辑器件中的编程方法可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，简称PLD）是一种集成电路芯片，可以按照用户需求进行编程，实现特定的功能。
在现代电子技术中，PLD已经广泛应用于数字逻辑电路设计、嵌入式系统和数字信号处理等领域。
本文将探讨可编程逻辑器件中的编程方法，并介绍几种常见的PLD编程工具和技术。
一、PLD编程工具和技术概述PLD编程工具是指用于将用户逻辑设计转化为PLD可执行文件的软件工具。
根据PLD的不同类型和厂商，常见的PLD编程工具有：1. HDL（Hardware Description Language）：硬件描述语言是一种用于描述数字电路的语言，常见的HDL包括VHDL和Verilog。
通过编写HDL代码，可以描述逻辑电路的行为和结构，并使用PLD编程工具将其转化为逻辑逻辑文件，然后下载到PLD芯片中。
2. Schematic Entry：原理图输入工具是一种以图形化的方式描述逻辑电路的工具。
用户可以使用各种逻辑元件和线缆绘制逻辑电路图，然后利用PLD编程工具将其转化为可执行文件。
3. 编程器：编程器是一种硬件设备，用于将编程数据下载到PLD芯片中。
根据PLD芯片的接口类型，常见的编程器有USB编程器、JTAG编程器和并行口编程器等。
除了以上的PLD编程工具，还有一些特定用途的编程方法和技术，比如：1. IP（Intellectual Property）核的利用：IP核是一种现成的、可重用的硬件设计模块，可以加速PLD的开发过程。
用户可以通过使用IP核，将一些常见的功能模块（比如UART、DMA等）直接集成到PLD芯片中，而无需自己从零开始设计。
2. 启动存储器（Boot Memory）编程：某些PLD芯片具有内置的启动存储器，可以在加电时从内存中加载程序代码。
用户可以通过编程将程序代码写入启动存储器，从而实现自动加载和执行。
3. 软件编程工具：一些PLD芯片支持通过软件进行编程，而不需要使用专门的编程工具。
第二章 可编程逻辑器件的基本原理
数字ASIC按照版图结构和制造方法分为全定 制和半定制两种实现方法。
全定制法是一种基于晶体管级的手工设计版图的设计方法。全 制定ASIC的各层掩模都是按特定电路功能专门制造的，设计者必须 从晶体管的版图尺寸、位置和互联线开始设计，并据此确定整个电 路的布局布线，已达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优 化性能。涉及需借助全定制版图设计工具来完成。设计全定制ASIC， 不仅要求设计者具有丰富的半导体材料和工艺技术知识，还要具有 完整的系统和电路设计的工程经验。 利用全定制法设计的电路面积利用率最高、性能较好、功耗较低、 集成度高、工作速度高，但其设计制作过程人工参与的工作量大、 设计周期长，而且容易出错。 全定制法比较适用于批量较大的产品，如：通用中小规模集成 电路设计、有特殊性能要求和功耗要求的电路设计、处理器中的特 殊功能模块电路的设计等。
ASIC按照设计方法的不同分为: 一、模拟ASIC 二、数字ASIC
ASIC
数字ASIC
模拟ASIC
全定制
半定制
线性阵列
模拟标准单元
门阵列
标准单元
PLD
图2-1 ASIC的分类
模拟ASIC由线性阵列和模拟标准单元 组成。由于模拟电路的频带宽度、精度、 增益和动态范围等暂时还没有一个最佳的 办法加以描述和控制，因此与数字ASIC相 比，它的发展还相当缓慢。但模拟ASIC可 减少芯片面积、提高性能、降低费用、扩 大功能、降低功耗、提高可靠性以及缩短 开发周期，因此其发展也势在必行。
半定制法是一种约束性设计方式。约束的主 要目的是简化设计、缩短设计周期、降低设 计成本和提高芯片成品率。半定制法按逻辑 实现的方式不同分为：门阵列法、标准单元 法、可编程逻辑器件法三种。
• 门阵列法
2 可编程逻辑器件(PLD)
4.CPLD/FPGA器件的选择
四、作业：见教材任务，上机操作及任务实施。
旁批栏：
(2)按内部结构分类
按PLD器件的内部结构分，可分为乘积项结构器件和查找表结构器件。大部分简单PLD和CPLD都是乘积项结构器件，FPGA是查找表结构器件。
2.PLD的基本结构
根据布尔代数可知，各种逻辑关系都可化成与-或逻辑表达式，即任何组合逻辑电路均可由与门、或门的组合来实现，早期的简单PLD就是由可编程的与阵列和或阵列组成的，其原理结构图如图所示。
重庆科创职业学院授课方案（教案）
课名：教师：
班级:编写时间：
课题：
可编程逻辑器件(PLD)
授课时数
2
教学目的及要求：
1.了解可编程逻辑器件的种类
2.PLD的基本结构
教学重点：常见的PLD器件
教学难点：PLD的基本结构
教学步骤及内容：
一、复习旧课
1.EDA技术的发展
2.相关专业名词
二、讲授新课
1.PLD器件的分类
旁批栏：
3.FPGA/CPLD产品概述
目前世界上有十几家生产FPGA/CPLD的公司，其中前三家分别是Xilinx、Alteranx公司的FPGA/CPLD器件
Xilinx是FPGA的发明者，老牌FPGA公司，是最大可编程逻辑器件供应商之一。
B. Xilinx公司的CPLD和FPGA器件系列
C. Lattice公司CPLD产品
6.CPLD/FPGA器件的选择
在工程设计中，对CPLD/FPGA器件选型，必须从以下几个方面来考虑。
A.器件的逻辑规模
B.应用的速度要求
C.功耗
D.可靠性
E.价格
第02讲可编程逻辑器件结构
EEPROM
G1(多 晶 硅 )G2(多 晶 硅 )
SiO2 S
薄氧化层区 D
N＋
N＋
P
(a) 结 构 图
D G2
G1 S (b) 电 路 符 号 P2
具 有两个 栅极 的 NMOS管 ， 其中G1是 控制栅 ，它 是一个 浮栅 ，无引 栅，它有引出线。在G1栅和漏极之间有一小面积的氧化层，其厚度 效应。
当G2栅加20 V的正脉冲P1时，通过隧道效应，电子由衬底注入到G 储了“1”，利用此方法可将存储器抹成全“1”状态。
存 储 器 在 出 厂 时 ， 存 储 内 容 也 为 全 “ 1 ” 状 态 。 使 用 时 可 根 据 需 要 “0”。写“0”时漏极D加20 V正脉冲P2，G2栅接地，浮栅上电子 相当于写“0”。
输 出 单 元 的 作 用 是 使 设 计 者 能 改 变 P L D 的 输 出 结 构 。
• 输入信号通过“与”阵列组合成为乘积项，这些乘积 项在“或”阵列中相加，经输出单元或宏单元输出。
PLD器件
• 以“ 与 ”“ 或 ”阵 列 结构 ( 即 乘积 项 Product-Te PLD器件包括：
器件相同的基本结构形式，既采用可编程的“与” 阵列及固定的“或”阵列结构，但是编程方式不
同。GAL有如下优点：
采用CMOS的浮栅工艺
➢可以重复编程 ➢由于采用CMOS工艺而使器件速度提高，功耗下降 ➢具有不挥发性，在器件掉电后不必对GAL器件重新编程 ➢有一种“安全保护单元”，允许对GAL器件实现安全保护
第2章可编程逻辑器件基础
2.3 CPLD/FPGA的结构特 点
❖ 2.3.2 Xilinx公司的CPLD/FPGA
Xilinx在1985年首次推出了FPGA，随后不断推出新的集成度 更高、速度更快、价格更低、功耗更低的FPGA器件系列。 Virtex-4系列FPGA Spartan II & Spartan-3 & Spartan 3E器件系列FPGA XC9500 & XC9500XL系列CPLD
2.3 CPLD/FPGA的结构特 点
❖ 2.3.3 Altera和Actel公司的
ACltPerLaD是著/F名P的GPALD生产厂商，Altera公司的可编程逻辑器件
具有高性能、高集成度和高性价比的优点，此外它还提供了功 能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等。Altera公司目前 能够提供以下5类宏功能模块：
（1）数字信号处理类。 （2）图像处理类。 （3）通信类。 （4）接口类。 （5）处理器及外围功能模块。
2.3 CPLD/FPGA的结构特 点
❖ 2.3.4 CPLD和FPGA的异同
根据结构特点和工作原理，以乘积项结构方式构成逻辑行为的 器 件 称 为 CPLD ， 以 查 找 表 法 结 构 方 式 构 成 逻 辑 行 为 器 件 称 为 FPGA。FPGA和CPLD都是可编程ASIC，有许多共同的特点，但 由于CPLD和FPGA硬件结构上的差异，使得它们具有各自的特点 ： 在结构工艺方面； 在触发器数量上； 在逻辑规模和复杂度方面； 在时延方面； …
2.1.4 可编程逻辑器件的发展趋势
向高密度、大规模的方向发展。 向系统内可重构的方向发展。 向低电压、低功耗的方向发展。 向高速可预测延时器件的方向发展。 向混合可编程技术方向发展。
fpga中ip核的作用
fpga中ip核的作用FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它可以通过编程来实现不同的功能。
在FPGA中，IP核（Intellectual Property core）是一种可重用的模块，它可以被用来实现特定的功能，例如数字信号处理、图像处理、通信等。
IP核可以被看作是FPGA中的“黑盒子”，它可以被直接使用，而无需了解其内部实现细节。
IP核的作用在于简化FPGA设计的过程。
在FPGA设计中，通常需要实现一些常见的功能，例如乘法器、加法器、存储器等。
这些功能可以通过编写Verilog或VHDL代码来实现，但这需要设计者具备较高的技术水平。
而使用IP核，设计者可以直接将其插入到设计中，从而省去了编写代码的过程。
这不仅可以节省时间，还可以降低设计的难度和错误率。
另外，IP核还可以提高设计的可重用性。
在FPGA设计中，通常需要实现多个功能模块，这些模块可能会在不同的设计中被重复使用。
使用IP核，设计者可以将这些模块封装成IP核，从而方便在不同的设计中重复使用。
这不仅可以提高设计的效率，还可以降低设计的成本。
除了常见的功能模块，IP核还可以实现一些特定的功能。
例如，通信系统中常用的协议（如Ethernet、USB等）可以通过IP核来实现。
这些IP核通常由FPGA厂商或第三方开发商提供，设计者可以直接使用它们，从而简化设计过程。
总之，IP核是FPGA设计中不可或缺的一部分。
它可以简化设计过程，提高设计的可重用性，同时还可以实现一些特定的功能。
在FPGA设计中，设计者应该充分利用IP核，从而提高设计的效率和质量。
可编程逻辑器件的发展
可编程逻辑器件的发展80年代中期以来，ASIC得到广泛的重视与应用。
虽然ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统可靠性，减少了产品的物理尺寸，但是其依旧存在着一些弊端。
ASIC芯片都必须到IC厂家去加工制造，同时其设计制造周期长，且一旦有了错误，需重新修改设计和制造，成本和时间大大增加。
基于此，诞生了可编程逻辑器件，其是ASIC的一个重要分支。
可编程逻辑器件高速发展，继续向更高密度，更大容量迈进，低密度PLD依然走俏，同时其向低电压，低功耗的方向发展，IP核也得到进一步的发展。
可编程逻辑器件可以分为CPLD和FPGA。
1CPLD的发展与特点CPLD在80年代中期由Altera公司推出，其结构类似于PAL。
早期的可编程逻辑器件由可编程逻辑器件(PLD)发展到可编程阵列逻辑(PAL)，再到可编程逻辑阵列(PLA)，再到通用阵列逻辑(GAL),最终发展到CPLD。
PLD是最早的可编程逻辑器件，它包含两个基本部分：逻辑阵列和输出单元。
逻辑阵列是用户可编程的部分，它由“与”矩阵、“或”矩阵及反相器组成；输出单元的作用是使设计者能改变PLD的输出结构。
输入信号通过“与”矩阵组合成为乘积项，这些乘积项在“或”矩阵中相加，经输出单元或宏单元输出。
PLD 器件包括4中基本类型：PROM,PLA,PAL,GAL。
1.1 PROMPROM类型下与阵列是固定的，不需编程，灵活性较差。
而大多数逻辑阵列函数不需要使用输入的全部可能组合，这就使得PROM的与阵列不能充分利用，造成浪费。
为了增大芯片容量，与阵列可以做得很大，但阵列越大，开关延迟时间越长，速度越慢。
从而产生了PLA结构。
1.2 PLAPLA中包含一个可编程连接的“与”矩阵和一个可编程连接的“或”矩阵，为了减小阵列规模，提高器件速度，与阵列不采用全译码式，与门个数小于2的n次方。
PLA器件除了实现组合逻辑外，还可实现时序逻辑。
其对于逻辑功能的处理比较灵活，但处理逻辑功能较简单的电路时比较浪费资源，相应的编程工具话费也较大。
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I5
I4
I3
I2
I1
I0
Programmable OR array
Fixed AND array
O 3 O2 O1 O 0
Programmable AND array Programmable AND array
O 3O 2 O 1 O 0
PROM
O 3O 2O 1O 0
PAL
PLA
或阵列 可编程 与阵列 固定
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Verilog
Verilog HDL是在1983年由GDA（GateWay Design Automation）公司为其模拟器产品开发的硬件描述 语言。1989年，Cadence公司收购了GDA公司， Verilog HDL语言成为Cadence公司的产品。1990年， Cadence公司决定公开Verilog HDL语言，于是成立 了OVI （开放Verilog国际，Open Verilog International）组织，负责促进Verilog HDL语言的 推广。 基于Verilog HDL的优越性，IEEE于1995年制定了 Verilog HDL的IEEE标准，即Verilog HDL 13641995；2001年发布了Verilog HDL 1364-2001标准。
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2013-7-12
SystemVerilog
SystemVerilog是IEEE于2005年颁布的工业界第 一个统一硬件描述和硬件验证的标准，命名为 IEEE 1800标准，在IEEE 1364标准基础上产生。 SystemVerilog增加了创建和验证抽象结构的层 模型功能，可以提供对深流水线和高端芯片设 计的抽象描述。它是新的硬件设计规范，特别 适用于基于知识产权、大数量逻辑门和密集总 线之类的芯片，提升了这类芯片的设计、仿真 和验证效率。
PCB，Printed Circuit Board
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数字系统硬件抽象模型
设计层次
系统级
行为域
自然语言描述的系 统功能，部件功 能描述 算法
结构域
部件及它们之间连接的 方框图 硬件模块、数据结构的 互连体
物理域
芯片、模块、电路 板以及子系统 的物理划分。 部件之间的物理连 接
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CPLD和FPGA的基本构成
以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为 CPLD，如赛灵思（Xilinx）公司的XC9500系 列、莱迪斯（Lattice）公司的ispLSI系列、 Altera的MAX7000S系列等； 以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为 FPGA，如Altera的FLEX10K、ACEX1K或 Cyclone系列、Xilinx的SPARTAN系列和Virtex 系列等。
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SystemC
SystemC是由Synopsys公司和CoWare公司合作开发的。 1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、IP公 司、半导体公司和嵌入式软件公司宣布成立“开放式 SystemC联盟”。SystemC从1999年9月联盟建立初期 的0.9版本开始更新，从1.0版到1.1版，一直到2001年 10月推出了最新的2.0版。 SystemC利用流行的C++编译器，在没有对C++增加 新的语言构件的基础上，利用类的概念对C++进行了 扩充，加入了一个类库和仿真核。设计者能利用它有 效地创建软件算法、硬件结构和系统设计模型。
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乘积项实现PLD的示意图 OR Matrix & AND Matrix
Input
AND Matrix OR Matrix Output
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ROM, PAL & PLA
I3 I2 I1 I0 Programmable OR array I5 I4 I3 I2 I1 I0 Fixed OR array
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CPLD和FPGA的基本区别
主要特点
逻辑电路主要性质 目标电路适应性 时序 编程灵活性 编程方式 编程次数 组合逻辑 触发器有限而乘积项丰富 延迟均匀，并且可预测 小 基于电子熔丝编程 大约一万次
CPLD
时序逻辑
FPGA
触发器丰富 较大的延迟，不可预测 大 基于E2PROM或FLASH编程 任意次，工作中可编程
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芯片制造基本流程图解
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芯片原材料—硅锭
硅锭是生产芯片的原材料
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硅锭切片—晶圆
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将晶圆切割成裸晶
一个晶圆片上再切割成许多裸晶（也叫管芯）
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2.3 可编程逻辑器件
可编程逻辑器件
Programmable Logic Device，PLD
数字ASIC的重要分支，是半导体电路厂商生 产的一种通用性半定制集成电路。用户通过对 PLD编程可以实现所需要的逻辑功能。
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AMD公司 的 64位双 核处理器 Opteron
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处理器芯片的版图照片之三
Intel公司的 Itanium2处理 器 代号Madison
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多个裸晶可以封装在一个芯片内
双CPU核的芯片结构
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裸晶上印制版图
右边给出了 裸晶的实例 照片。注意 四周是引脚
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处理器芯片的版图照片之一
Sun公司的 UltraSparc IV+处理器 版图
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处理器芯片的版图照片之二
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与阵列 可编程 或阵列 固定
与或阵列 均可编程
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查找表（Look-Up-Table）的例子
一个4输入的与门
实际逻辑电路 a,b,c,d输入 0000 0001 。。。 。。。 1111 逻辑输出 0 0 0 。 1
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查找表实现 地址 0000 0001 。。。 。。。 1111 RAM值 0 0 0 。 1
《嵌入式系统原理》
第2讲 计算机科学学院 于山山主讲
可编程逻辑器件和IP核
本章主要授课内容
集成电路的制造流程 电子设计自动化 可编程逻辑器件FPGA/CPLD FPGA应用举例 硅知识产权核（IP核） 片上总线 低功耗设计原理
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2.2 电子设计自动化
电子设计自动化
Electronic Design Automation ，EDA EDA是先进的电子系统设计方法和开发工具 EDA以计算机为主要工具，对使用硬件描述语言 （HDL，Hardware Description Language）为描述手 段完成的数字系统设计文件，自动地完成逻辑编译、 逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化 和仿真测试，直至实现既定的电子系统功能。
连线 资源
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
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典型FPGA结构图 （赛灵思公司Virtex系列）
延时 锁定环 延时 锁定环
块 R A M
可配置 逻辑块 CLBs
可配置 逻辑块 CLBs
块 R A M
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两种类型的PLD
在PLD器件中有重要的两大类：
复杂可编程逻辑器件 CPLD：Complex Programmable Logic Device 现场可编程门阵列 FPGA：Field Programmable Gate Array
两者功能基本相同，只是实现原理略有不同。
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晶体管布图
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概念设计 系统架构设计与软硬件划分 图形方式 VHDL语言 源代码 代码文件 报告文件 报告文件 网表文件 门级网络表 波形文件 器件编程文件 版图文件 测试报告 硬件测试 布局布线设计 时序仿真（后仿真） 行为级描述（RTL级设计） 构建模块与接口 功能仿真（前仿真） 逻辑综合与优化
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硬件描述语言
主流的HDL有VHDL、Verilog、System C、 Superlog和SystemVerilog等。 下面分别介绍
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VHDL