第二章FPGA结构与应用
EDA技术第二章FPGACPLD结构与应用
第二章 FPGA/CPLD结构与应用
2.1 PLD的分类 2.2 简单PLD原理 2.3 CPLD结构与工作原理 2.4 FPGA结构与工作原理 2.5 硬件测试 2.6 PLD产品 2.7 编程与配置
教学目的
掌握CPLD/FPGA的结构及工 作原理
掌握CPLD/FPGA的配置和编 程方法
• JTAG边界扫描：BST（Board Scan Test）
2.6 产品概述
• CPLD分解组合逻辑的功能很强 FPGA的一个LUT只能处理4输入的组合逻辑
• CPLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑 设计复杂的时序逻辑，使用FPGA较好
• CPLD一般只能做到512个逻辑单元 FPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多， 往往都是几千上万
MAX7128S的结构
可编程寄存器
MAX7000系列的单个宏单元结构
共享扩展乘积项结构
并联扩展乘积项结构
PIA信号布线到LAB的方式
IO控制块结构
2.4 FPGA工作原理与结构
• 1. FPGA的特点 – 可编程查找表 – LUT（Look Up Table） – 基于SRAM的查找表逻辑结构 – 存储输入值构成的真值表
示方式
• CPLD拥有上电即可工作的特性 大部分FPGA需要一个加载过程
1. Altera
• 最大的可编程逻辑器件供应商之一 • CPLD：MAX系列 • FPGA：Stratix系列、FLEX系列、ACEX系
列、Cyclone系列等 • IP核
2. Xilinx
• FPGA的发明者 • 最大可编程逻辑器件供应商之一 • 99年Xilinx收购了Philips的PLD部门 • CPLD：XC9500系列 • FPGA：Virtext系列、Spartan系列
FPGA的原理和应用
FPGA的原理和应用FPGA（Field Programmable Gate Array），在中文中也被称为现场可编程门阵列，是一种可编程电路。
相比于ASIC （Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路），FPGA具有更加灵活的设计和制造过程。
FPGA可以适用于各种不同的应用领域，例如医疗、航空航天、嵌入式系统等。
1. FPGA的原理FPGA的本质是一组可编程的逻辑门和可编程连接器。
FPGA使用逻辑单元、时钟元件、存储器等基本组件构成可编程逻辑单元，可以通过FPGA设计工具进行逻辑设计，将所设计的逻辑电路编程在FPGA上。
FPGA的一大优势在于可重复编程，这意味着可以在设计完成后对FPGA的功能进行修改，节约了电路设计的成本和时间。
FPGA的架构一般由可编程逻辑单元（LUT）、寄存器和电路组成。
可编程逻辑单元是FPGA的基本处理单元，由多个逻辑门和可编程的开关所构成。
寄存器用于存储和传递数据，在数字电路中扮演着重要的角色。
电路包含时钟、计数器和片上RAM等组件。
2. FPGA的应用FPGA在各种应用领域都扮演着重要的角色。
以下是几个例子：a. 通信领域FPGA在通信领域有着广泛的应用，可以完成调制、解码和信道编码等复杂的任务。
此外，FPGA还可以作为DSP（数字信号处理器）的替代品，高速低延迟的实现数据处理和处理信号。
b. 数字信号处理FPGA可以实现高性能的数字信号处理。
FPGA可以通过FIR （有限脉冲响应）滤波器和IIR（无限脉冲响应）滤波器实现数字信号滤波。
同时，FPGA还可以通过FFT（快速傅里叶变换）实现频域分析等应用。
c. 汽车电子FPGA在汽车电子领域有着重要的作用。
FPGA可以通过CAN总线实现车辆间的通信和车内控制系统的通信。
FPGA还可以用于汽车的安全系统，例如车道保持、碰撞预警等。
d. 航空航天FPGA可以用于航空航天领域的高可靠性应用，例如飞行控制、导航和通信等。
第二章 FPGA／CPLD结构与应用
图2-22 复合型组合输出结构
图2-21 组合输出双向结构
EDA技术讲义
2.2.5 GAL
图2-24输出反馈结构 图2-23 反馈输入结构
EDA技术讲义
2.2.5 GAL
图2-25 简单模式输出结构
2.3 CPLD结构与工作原理
来自 PIA的 36个信号
EDA技术讲义
图2-26 MAX7000系列的单个宏单元结构
EDA技术讲义
2.1
概
述
图2-1 基本PLD器件的原理结构图
输 入
输入 缓冲
与 阵 列
或 阵 列
输出 缓冲 电路
输 出
„
„
电路
EDA技术讲义
2.1.1 可编程逻辑器件的发展历程
EPLD
PROM 和 器 件 PLA 70年代
改 进 的 PLA 器 件 GAL 器 件
器 件
CPLD
80年代
FPGA 器 件
EPLD
Erasable Programmable Logic Device
EDA技术讲义
时钟信
输入口
号输入 逻辑宏单元
GAL16V8
输入/输出口
固定或阵列
可编程与阵列
三态控制
EDA技术讲义
2.2.5 GAL
图2-20寄存器模式组合双向输出结构
图2-19寄存器输出结构
EDA技术讲义
2.2.5 GAL
全局 清零 全局 时钟 来自 I/O引脚
Vcc SL0 7
11 10 R 01 00
0
D
Q Q
SL1 7 7 I1 2
11 10 R 01 00 11 10 R 01 00 SG0 SL0 6
FPGA／CPLD结构与应用
与加/减计数模式类似， 实现同步清除信号取代 级联信号.
(2) 逻辑阵列LAB是由一系列的相邻LE构成的
图2-38FLEX10 K LAB 的结构图
(3) 快速通道(FastTrack):构成:行连线带,列连线带 特点:快速,延迟可测,但不够灵活 (4) I/O单元与专用输入端口
图2-39 IO单元结构图
X
F’
CP 时钟
XC4000系列CLB基本结构图
2、可编程逻辑块（CLB）
1CLB= 3逻辑函数发生器 + 2触发器 + 数据选择器 + 信号变换
F、G为查表结构
G、F=四个输入变量，独立， H=三输入变量，可实现9变量组合逻辑函数。
G、F、H输出可编程, 连到CLB内部触发器、或连到CLB的输出端X、Y。
图2-30 PIA信号布线到LAB的方式
(5)I/O控制块
可使I/O引脚单 独配置成输入/ 输出或双向工 作方式. 每个IOC由816个三态门和 使能控制电路 组成. I/O引脚的三态 输出缓冲器.
工作方式: 输入, 输出, 双向 组成: 三态门 + 使能控制电路 ( 由OE1/OE2之一控制,或接GND, VCC )
输出——CLB阵列的OUT也有两条途径，1）直接经MUX送到 输出缓冲器；2）存入输出DFF，再送到输出缓冲器。 DFF有独立 的时钟，可任选触发边沿。输出缓冲器受CLB送来的OE信号控制， 使输出引脚有高阻态，还受转换速率（摆率）控制，使它可高速、 低速运行。
IOB输出有两只MOS管，栅极可编程，使MOS管导通或截止， 经上拉电阻（下拉电阻）接通VCC、GND、不接通，改善输出波形
主要有: 可编程逻辑块CLB + I/O模块 + 可编程互连资源 + SRAM
FPGA设计与应用
FPGA设计与应用FPGA是一种用于数字电路设计的可编程电路，它具有一定的内部资源，可以按照用户的需要完成不同的功能。
FPGA在计算机视觉、信号处理、通信等领域中有广泛的应用，并且通过使用硬件描述语言（HDL）进行设计，具有高性能、低功耗、可重构性强等优点，成为了数字电路领域中不可或缺的组成部分。
一、FPGA的基本结构和原理FPGA由可编程逻辑器件（Programmable Logic Devices, PLDs）、存储器件、时钟管理模块和输入输出模块等组成。
其中，PLDs是FPGA设计的核心元件，由查找表（Look Up Tables, LUTs）和触发器（Flip-flops）等构成，通过编程后可以实现不同的逻辑功能。
存储器件可以用来存储数据或程序，时钟管理模块可以控制时钟的频率和相位，输入输出模块可以将信号输入FPGA，或将FPGA的信号输出到其他设备。
FPGA的原理是基于可编程逻辑器件中的LUT和触发器实现的，其中LUT负责执行逻辑函数，触发器则负责存储数据。
在PLDs 中，LUT和触发器的数量和类型可以根据需要进行编程，从而实现不同的逻辑功能。
设计者通过HDL编写逻辑电路的代码，经过综合、布局和路由后，生成具有固定逻辑功能的FPGA。
二、FPGA的设计流程FPGA的设计流程包括需求分析、设计、仿真、实现和验证等环节。
在需求分析阶段，设计者需确定设计目标、功能和性能等方面的需求，明确设计的具体要求。
在设计阶段，设计者通过使用HDL编写逻辑电路的代码，以及对逻辑电路进行综合和布局，生成一个可行的FPGA设计方案。
在仿真阶段，可以通过软件模拟仿真，验证设计的正确性和性能。
在实现阶段，将FPGA设计方案下载到目标硬件板上，并通过编程实现功能。
在验证阶段，则需要对FPGA进行可靠性测试和性能测试，确保设计符合要求。
三、FPGA的应用领域FPGA的应用领域包括计算机视觉、信号处理、通信、工业自动化、军事设备等领域。
武汉理工大学FPGA第2章 FPGA设计基础
第2章FPGA设计基础2.1 Verilog HDL基础知识2.1.1概述硬件描述语言HDL（Hardware Description Language ）是一种用形式化方法来描述数字电路和数字逻辑系统的硬件描述语言，有两种类型：VHDL和Verilog HDL。
举个例子，在传统的设计方法中，对2输入的与门，我们可能需要到标准器件库中调出一个74系列的器件，但在硬件描述语言中，“& ”就是一个与门的形式描述，“C = A & B”就是一个2输入与门的描述，而“and”就是一个与门器件。
Verilog HDL 语言具有这样的描述能力：设计的行为特性、设计的数据流特性、设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。
所有这些都使用同一种建模语言，可综合的Verilog模块可以构成一个可靠的复杂IP软核和固核模块。
Verilog HDL 语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模拟、仿真语义。
因此，用这种语言编写的模型能够使用Verilog 仿真器进行验证。
Verilog HDL语言从C 编程语言中继承了多种操作符和结构。
Verilog HDL 模型可以是实际电路的不同级别的抽象，主要指：（1）系统级（2）算法级（3）RTL 级（4）门级（5）开关级，前三种属于行为级描述。
VHDL侧重于系统级描述，从而更多的为系统级设计人员所采用；Verilog 侧重于电路级描述，从而更多的为电路级设计人员所采用。
Verilog非常容易掌握，只需有C语言编程基础，就可很快上手。
2.1.2 Verilog 与C语言的比较虽然Verilog语言是从C语言过渡而来的，其某些语法与C语言接近，但存在如下几方面的本质区别：1.Verilog是一种硬件语言，最终是为了产生实际的硬件电路或对硬件电路进行仿真；C语言是一种软件语言，是控制硬件来实现某些功能；2.C语言只要是语法正确，都是可以编译执行的；而Verilog语言有可综合的限制，即在所有的verilog语句中，只有一部分可以被综合，而另外的部分则不能被综合，只能用来仿真；3.C语言是一种软件编程语言，其基本思想是语句的循序执行，而Verilog语言的基本思想是模块的并行执行；4. 利用Verilog编程时，要时刻记得Verilog是硬件语言，要时刻将Verilog与硬件电路对应起来。
CPLDFPGA结构与应用
4. FPGA结构与工作原理
5. 硬件测试技术
内部逻辑测试
• 在设计时加入用于测试的部分逻辑，即进行可 测性设计(DFT，Design For Test)，在设计 完成后用来测试关键逻辑。
• 在ASIC设计中的扫描寄存器，是可测性设计 的一种，原理是把ASIC中关键逻辑部分的普 通寄存器用测试扫描寄存器来代替，在测试中 可以动态地测试、分析设计其中寄存器所处的 状态，甚至对某个寄存器加以激励信号，改变 该寄存器的状态。
√1. 概述 2. 简单PLD原理 3. CPLD的结构与可编程原理 4. FPGA结构与工作原理 5. 硬件测试技术 6. FPGA/CPLD产品概述 7. 编程与配置 8. IP核
2.2 简单PLD原理
• 电路符号表示
常用逻辑门符号与现有国标符号的对照
电路符号表示
PROM
PROM可编程原理
3.CPLD的结构与可编程原理
• CPLD即复杂可编程逻辑器件。 • 在流行的CPLD中，Altera的MAX7000S系
列器件具有一定典型性。 • MAX7000S系列器件包含32-256个逻辑宏单
元，每16个逻辑宏单元组成一个逻辑陈列块 （LAB）。 • MAX7000结构中包含五个主要部分，即逻辑 宏单元、逻辑陈列块、扩展乘积项、可编程连 线阵列和I/O控制块。
4. FPGA结构与工作原理
什么是查找表？
• 一个N输入查找表（LUT，Look Up Table）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。
• 输入多于N个函数、方程必须分开用几 个查找表实现。
4. FPGA结构与工作原理
4. FPGA结构与工作原理
在Cyclone器件里面存 在大量LAB 右图所示的LE排列成 LAB阵列构成Cyclone FPGA丰富的编程资源。
fpga 教学大纲
fpga 教学大纲第一章 FPGA概述1.1 FPGA的定义与特点FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，具有灵活性高、可重构性强的特点。
它由一系列可编程逻辑门和可编程内部连线构成，可以根据需要进行逻辑功能的设计和实现。
1.2 FPGA的应用领域FPGA广泛应用于数字电路设计、通信系统、嵌入式系统等领域。
在数字电路设计中，FPGA可用于实现各种逻辑功能、算法运算和信号处理等任务。
1.3 FPGA的发展历程自FPGA诞生以来，经历了多个发展阶段。
从最初的简单门级可编程器件到现在高度集成、性能强大的复杂逻辑器件，FPGA的性能和规模得到了极大的提升。
第二章 FPGA基本原理与结构2.1 FPGA的基本原理FPGA通过可编程逻辑门和内部连线的灵活配置实现逻辑功能的定制。
用户可以根据需要设计出特定的逻辑电路，并将其配置到FPGA芯片中，从而完成特定任务。
2.2 FPGA的逻辑资源FPGA芯片内部包含大量的可编程逻辑资源，如逻辑门、寄存器、乘法器等。
这些资源可以通过配置实现各种逻辑功能，并且可以根据需要进行灵活的重构。
2.3 FPGA的结构组成FPGA由可编程逻辑单元（CLB）、可编程输入输出块（IOB）、可编程互连资源（Interconnect）等部分组成。
它们相互连接并形成一种可重构的逻辑结构。
第三章 FPGA设计流程3.1 FPGA设计流程概述FPGA设计流程一般包括需求分析、系统设计、逻辑设计、综合与优化、布局布线、仿真验证等环节。
每个环节都有其独特的设计方法和工具支持。
3.2 FPGA的设计语言常用的FPGA设计语言包括硬件描述语言（如VHDL、Verilog）和高级综合语言（如C、C++）。
设计语言的选择会影响到设计的效率和可移植性。
3.3 FPGA设计工具FPGA设计离不开各种设计工具的支持，如逻辑综合工具、布局布线工具和仿真工具等。
这些工具可以提高设计效率，减少设计风险。
《FPGA结构与应用》PPT课件
乘积项逻辑可编程结构
… …
输
输入
入
缓冲
电路
与
或
阵
阵
列
列
输出
输
缓冲
出
电路
图2-1 基本PLD器件的原理结构图
2.1.2 可编程逻辑器件的分类
按集成密度分：
可编程逻辑器件(P LD)
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
图2-2 PLD按集成度分类
IO...C
IOC
IO...C
IOC
IO...C
IOC
IO...C
IOC
I...OC
IOC
I...OC
IOC
I...OC
IOC
I...OC
IOC
FPGA内部结构示意图
快速通道互 连
IO...C
IOC
EAB
IO...C
IOC
EAB
逻辑阵列块 (LAB )
嵌入式乘法器 锁相环（PLL）
嵌入式 阵列块
IO...C
CPLD的优点（Advantage） 断电后数据不会丢失。
CPLD的缺点（Disadvantage） 组成复杂的、特殊的数字系统时欠灵活。
2.4 FPGA结构与工作原理
Field Programmable Gate Array
输入A
2.4.1 查找表
0
(LUT，Look Up T
00
able)
3、I/O控制块
允许每个I/O引 脚单独被配置为 输入、输出和双 向工作方式。
图2-31 MAX3000 A系列器件的I/O 控制块
FPGA-CPLD的结构与应用
2.1可编程逻辑器件概述2.2复杂可编程逻辑器件(CPLD) 2.3现场可编程门阵列(FPGA) 2.4FPGA和CPLD的开发应用2.1.1PLD的发展历程2.1可编程逻辑器件概述2.1.2PLD的基本原理2.1.3PLD内部互联符号2.1.4PROM的内部结构2.1.5PLA的内部结构特点：与阵列，或阵列均可编程2.1.6PAL/GAL的内部结构特点：与阵列可编程，或阵列固定2.1.7PLD的种类及分类方法1．从结构的复杂程度分类（1）简单PLD：逻辑门数500门以下，包括PROM、PLA、PAL、GAL等器件。
（2）复杂PLD：芯片集成度高，逻辑门数500门以上，包括EPLD、CPLD、FPGA等器件。
2．从互连结构上分类（1）确定型PLD。
确定型PLD提供的互连结构，每次用相同的互连线布线，其时间特性可以确定预知（如由数据手册查出），是固定的，如CPLD。
（2）统计型PLD。
统计型结构是指设计系统时，其时间特性是不可以预知的，每次执行相同的功能时，却有不同的布线模式，因而无法预知线路的延时，如Xilinx公司的FPGA器件。
3．从可编程特性上分类（1）一次可编程：一次可编程的典型产品是PROM、PAL和熔丝型FPGA；（2）重复可编程：其他大多是重复可编程的。
其中，用紫外线擦除的产品的编程次数一般在几十次的量级，采用电擦除方式的产品的编程的次数稍多些，而采用SRAM(静态随机存取存储器)结构，则被认为可实现无限次的编程。
2.2复杂可编程逻辑器件(CPLD)早期的CPLD主要用来替代PAL器件，所以其结构与PAL、GAL基本相同，采用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。
再加上一个全局共享的可编程与阵列，把多个宏单元连接起来，并增加了I/O控制模块的数量和功能。
可以把CPLD的基本结构看成由逻辑阵列宏单元和I/O控制模块两部分组成。
CPLD的基本结构图2.3现场可编程门阵列(FPGA)•可配置逻辑块(CLB-Confiqurable LogicBlock)•可编程输入/输出模块(IOB-I/O Block)•可编程互连资源(IR-Interconnect Resource)2.4FPGA和CPLD的开发应用2.4.1器件的选择1.器件的逻辑资源量的选择2．芯片速度的选择具体设计中应对芯片速度的选择有一综合考虑，并不是速度越高越好。
第2章FPGACPLD结构与应用
查找表结构 多路开关结构 多级与非门结构
大部分FPGA采用基于SRAM(静态随机存储器)的查找表逻 辑 形成结构。
查二找查表找—表Lo单ok元U结p T构able（LUT），是输可入编1 程最小逻辑单元。
输入2
一个N输入的LUT可以实现N个输 输入3
查找表 LUT
输出
Q
11
R
10 01
00
SG1 SL06
18 I/O6
20
2.2.5 GAL结构原
第2章 可编程逻辑器件
三态控制
理
输入口
时钟信 号输入
OLMC—Output Logic Macro Cell 输出逻辑宏单元 逻辑宏单元
GAL16V8
2020/10/20
《可编程逻辑器件及EDA技术》
输入/输出口 固定或阵列 可编程与阵列
大多数CPLD/FPGA厂家的器件遵守IEEE规范，并为输入引 脚和输出引脚以及专用引脚提供了边界扫描测试(Board Scan Test，BST)的能力。
40
2.5 硬件测试
2.5.2 JTAG边界扫描测试
41
2.5 硬件测试
2.5.2 JTAG边界扫描测试
在芯片内部核心逻辑电路与I/O脚间都增 加了寄存器电路，通过将这些I/O上的寄 存器连接起来，可以将测试数据串行输入 到被测单元，并从相应端口串行读出。测 试关键逻辑。
2020/10/20
《可编程逻辑器件及EDA技术》
2
2.1 可编程逻辑器件（PLD）概述 2.1.1 简单PLD器件结构
… …
输
输入
入
缓冲
电路
与
或
FPGA详细教程(第2章)
altera 系列产品输入输出单元（I/O Element，IOE）的内部结构与功能？ 基于ARM的Excalibur器件的内部结构与 功能？ Nios软核的嵌入式微处理器的技术特性、 内部结构与功能？
?4介绍了flex系列产品的主要技术特性器件结构嵌入式阵列块可配置的ramrom逻辑阵列块逻辑单元进位链级联链le工作模式快速通道互连列互连行互连局部互连输入输出单元
本章小结：
Xilinx公司和Altera公司是世界上十几家 生产CPLD／FPGA的公司中最大的供应商 之一。Spartan-Ⅱ、Spartan-ⅡE和 Virtex-Ⅱ、Virtex-Ⅱ Pro是Xilinx公司的 主流FPGA产品。FLEX6000／8000／10K、 APEX20K、ACEX1K、APEXⅡ、Mercury、 Excalibur和Stratix是Altera公司的主流 FPGA产品。
本章介绍的主要内容有
（1）介绍了Spartan-Ⅱ和Spartan-ⅡE系 列产品的主要技术特性，器件结构，可 配置逻辑模块，输入输出接口模块， BlockRAM和数字延迟锁相环。 （2）介绍了Virtex-Ⅱ系列产品的主要技 术特性，器件结构，可配置逻辑模块， 输入输出接口模块，BlockRAM，乘法器， 数字时钟管理器和数控阻抗匹配。
登录 网站，查找FLEX6000 ／8000／10K、APEX20K、ACEX1K、APEXⅡ、 Mercury、Excalibur和Stratix系列产品的封装 形式？ 登录网站，查找Spartan-Ⅱ、 Spartan-ⅡE和 Virtex-Ⅱ、Virtex-Ⅱ Pro系列 产品的引脚功能？ 登录 网站，查找FLEX6000 ／8000／10K、APEX20K、ACEX1K、APEXⅡ、 Mercury、Excalibur和Stratix系列产品的引脚 功能？
FPGA设计与应用教学课件
超前进位加法器
输入数据同比特位进行运算时，不需要等待前一比 特的进位信号。实现速度比较快，但资源占用也比 较大。建议使用在16位加法器上比较合适。对于位 数较多的也可采用流水方式。
进位选择加法器
由三个加法器组成，一个计算低字节；两个计算高 字节。计算高字节的加法器一个令进位为1，另一 个令进位为0。三部分同时计算，最后，低字节的 进位选择是哪一个高字节器的输出。对于位数较多 的加法器，性能的提高比较明显，但资源相对占用 较多。
1.3 FPGA的设计方法
FPGA的常用设计方法包括“自顶向下”和“自下而上”,目前大规模 FPGA设计一般选择“自顶向下”的设计方法。 所谓“自顶向下”设计方法, 简单地说,就是采用可完全独立于芯片厂商及 其产品结构的描述语言,在功能级对设计产品进行定义, 并结合功能仿真技术, 以确保设计的正确性,在功能定义完成后,利用逻辑综合技术,把功能描述转换成 某一具体结构芯片的网表文件,输出给厂商的布局布线器进行布局布线。布局 布线结果还可反标回同一仿真器, 进行包括功能和时序的后验证,以保证布局布 线所带来的门延时和线延时不会影响设计的性能。
◆VHDL基本语句
◆典型电路的设计
FPGA设计与应用
2.2 Verilog HDL入门
◆Verilog
HDL的模块组织
◆基本的数据类型及常量、变量、信号 ◆运算符及表达式 ◆ Verilog
HDL基本语句
◆典型电路的设计
FPGA设计与应用
2.3 总结与结论
这一章我们主要学习了一些HDL语言的基本语法与我们以往学习的C语 言等、PASCAL等都有相似之处，要注意的是在学习中要有意识地把HDL语言 的语句与硬件结构模块联系起来，通过理解物理意义，牢牢掌握。
北理FPGA课件 第二部分：FPGA的结构
可编程逻辑器件与VHDL设计技术第二部分：可编程逻辑器件结构北京理工大学雷达技术研究所陈禾可编程逻辑器件与VHDL设计技术课件下载ftp://10.1.8.101/incoming/doc/_课程 和课件/可编程逻辑器件和VHDL设计技术 /2006年课件可编程逻辑器件与VHDL设计技术本次课的主要内容可编程逻辑器件发展、结构FPGA和CPLD区别部分可编程逻 辑器件产品介绍FPGA设计流程可编程逻辑器件与VHDL设计技术PLD的发展历程早期的可编程逻辑器件:PROM、EPROM和 EEPROM三种。
可编程逻辑器件(PLD)可编程逻辑器件(PLD) PAL(可编程阵列逻辑) 可编程逻辑阵列(PLA) GAL(通用阵列逻辑) 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可编程逻辑器件与VHDL设计技术PLD的发展历程（续）20世纪80年代中期。
Altera和Xilinx 分别推出了类似于PAL结构的扩展型 CPLD (Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列类似的 FPGA(Field Progra- mmable Gate Array)，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宽等特点。
可编程逻辑器件与VHDL设计技术PLD的发展历程（续）注：不同厂家的叫法不尽相同，Xilinx把基于查 找表技术，SRAM工艺，要外挂配置用的PROM 的PLD叫FPGA；把基于乘积项技术，Flash工艺 的PLD叫CPLD; Altera 把自己的PLD产品:MAX 系列（乘积项技术，EEPROM工艺）,FLEX系列 （查找表技术，SRAM工艺）都叫作CPLD,即复 杂PLD(Complex PLD),由于FLEX系列也是 SRAM工艺,基于查找表技术，要外挂配置用的 EPROM,用法和Xilinx的FPGA一样，所以很多人 把Altera的FELX系列产品也叫做FPGA.可编程逻辑器件与VHDL设计技术世界主要PLD公司可编程逻辑器件与VHDL设计技术部分PLD公司网址• • • • • • • ALTERA: XILINX: ATMEL: CYPRESS: LATTICE: ACTEL: QUICKLOGIC: 可编程逻辑器件与VHDL设计技术PLD器件PLD（Programmable Logical Device）是最早 的可编程逻辑器件，它包含两个基本部分：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。
FPGACPLD结构与应用
硬 件 的测 的结试 结构技 构简术 与介简 工 介 作 原 理
FPGA CPLD
17
3.2 Cyclone LE结构图
LE结构图
第二章
2 3 4
硬 件 的测 的结试 结构技 构简术 与介简 工 介 作 原 理
FPGA CPLD
教师：李军
Email：dpi_Lijun@
18
3.3 LAB结构
概的的 述结结 构构 与简 工介 作 原 理
教师：李军
Email：dpi_Lijun@
11
2.3 扩展乘积项
共享扩展乘积项结构：每个 LAB 有 16 个共享 第二章 扩展项，每个宏单元提供一个单独乘积项。
1 2 3
FPGA CPLD PLD
概的的 述结结 构构 与简 工介 作 原 理
FPGA
TCK TRST
测试复位输入 低电平有效，异步复位边界扫描电路 (Test ResetInput) (在IEEE规范中，该引脚可选)。 教师：李军 Email：dpi_Lijun@
24
4. 硬件测试技术简介
3.5.2 JTAG边界扫描测试
第二章
3 4 5
硬 件 测 的试 结技 构术产 简简品 介介概 述 FPGA/CPLD
教师：李军 Email：dpi_Lijun@ 8
2. CPLD的结构与工作原理
CPLD：复杂可编程逻辑器件Complex PLD， 第二章 采用乘积项方式构成组合逻辑电路的较复杂 1 2 3 的可编程逻辑器件。 CPLD 的结构：以 Altera 公司的 Max7000S 为 概的的 例介绍。 Max7000S主要由五部分构成：
FPGA CPLD PLD
乘积项法 SRAM查找表法
第2章FPGACPLD器件
系统需求而开发设计。Altera 可编程解决方案包 括：
业内最先进的 FPGA、CPLD 和结构化 ASIC 技术
全面内嵌的软件开发工具 最佳的 IP 内核 可定制嵌入式
处理器 现成的开发包 专家设计服务
2.10 FPGA/CPLD的发展趋势
1）向大规模、高集成度方向进一步发展 2）向低电压、低功耗的方向发展 3）向高速可预测延时的方向发展 4）在PLD器件内嵌入更多功能模块 5）向模数混合可编程方向发展
按编程元件和编程工艺分类
(1)熔丝（Fuse）
(2)反熔丝（Antifuse）编程元件
非易失性
(3)紫外线擦除、电可编程，如EPROM。 器件
(4)电擦除、电可编程方式，(EEPROM、快闪存储
器（Flash Memory）），如多数CPLD
(5)静态存储器（SRAM）结构，如多数FPGA
易失性器件
Altera 公司简介
Altera 一直在可编程系统级芯片 (SOPC) 领域中 处于前沿和领先的地位，结合带有软件工具的可编
程逻辑技术、知识产权 (IP) 和技术服务，在世界 范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解 决方案。我们新产品系列将可编程逻辑的内在优 势 —— 灵活性、产品及时面市 —— 和更高级性
PLD的集成度分类
可编程逻辑器件（PLD）
简单 PLD
复杂 PLD
PROM PLA PAL GAL
CPLD
FPGA
一般将GAL22V10（500门~750门 ）作为简单PLD 和高密度PLD的分水岭
四种SPLD器件的区别
按编程特点分类
PLD器件按照可以编程的次数可以分为两类： (1) 一次性编程器件（OTP，One Time Programmable） (2) 可多次编程器件 OTP类器件的特点是：只允许对器件编程一次，不能修改， 而可多次编程器件则允许对器件多次编程，适合于在科研开 发中使用。
第二章FPGA结构与应用03
A,B,C,D由PLD芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列 （PIA)，在内部会产生A,A反,B,B反,C,C反,D,D反8个输出。 图中每一个*表示相连（可编程熔丝导通），所以得到： f= f1 + f2 = (A*C*!D) + (B*C*!D) 。
第二章 FPGA/CPLD结构与应用
成于大气 信达天下
图2_补 简单组合逻辑
设AND3输出为f，f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D + B*C*!D (以!D表示D的“非”）
第二章 FPGA/CPLD结构与应用
成于大气 信达天下
Chengdu University of Information Technology
PLD将以下面的方式来实现组合逻辑f:
Chengdu University of Information Technology
图2_补电路中D触发器的实现： 直接利用图2-18宏单元中的可编程D触发器来实现。时钟信 号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的全局时钟专用通道，直 接连接到可编程触发器的时钟端。可编程触发器的输出与I/O 脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图2_补 所示电路的功能。（以上这些步骤都是由软件自动完成的， 不需要人为干预） 图2_补的电路是一个很简单的例子，只需要一个宏单元就可 以完成。但对于一个复杂的电路，一个宏单元是不能实现的， 这时就需要通过并联扩展项和共享扩展项将多个宏单元相连， 宏单元的输出也可以连接到可编程连线阵列，再做为另一个 宏单元的输入。这样PLD就可以实现更复杂逻辑。
成于大气 信达天下
PROM 三
Chengdu University of Information Technology
fpga的应用原理图
FPGA的应用原理图什么是FPGAFPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，是一种由可编程逻辑单元（PLDs）和可编程连线组成的集成电路芯片。
与传统的固定逻辑电路不同，FPGA可以通过在场上编程改变电路连线和逻辑功能，实现多种不同的电路功能。
FPGA因其灵活性和可重配置性，被广泛应用于电子设计、数字信号处理、通信系统和嵌入式系统等领域。
在FPGA设计中，应用原理图是一种常用的设计方式。
应用原理图的概念应用原理图是一种图形化的设计表示方式，使用不同的图形符号和连线表示电路的元件和信号之间的关系。
在FPGA设计中，应用原理图可以描述电路的结构、功能以及各个模块之间的连接。
应用原理图的写作规范在编写FPGA的应用原理图时，需要遵循一定的规范，以保证设计的准确性和可读性。
下面是一些常用的写作规范：1.使用合适的图形符号：在应用原理图中使用标准的电路元件图形符号，如门、寄存器等，以便于读者理解电路的功能和结构。
2.使用标准的连线表示信号间的连接：使用直线或箭头线表示信号连接，并使用适当的线宽和线型进行区分。
3.使用合适的文字说明：对于特殊的元件或信号，可以在图中使用文字进行说明，以便于读者理解电路的具体含义。
4.模块化设计：将电路划分为不同的模块，每个模块负责不同的功能，然后使用适当的连接方式将模块组合在一起。
应用原理图编写的步骤编写FPGA的应用原理图通常包括以下几个步骤：步骤1：确认电路需求在编写应用原理图之前，需要明确电路的需求和功能，并进行必要的设计规划和分析。
步骤2：选择合适的电路元件根据电路需求，选择合适的电路元件，如门、寄存器、触发器等，并了解各个元件的功能和特性。
步骤3：绘制电路框图根据电路需求和选择的电路元件，使用绘图工具绘制电路的框图。
将各个元件按照电路结构进行布局，并使用合适的图形符号和连线表示元件和信号之间的连接。
步骤4：编写电路描述文件在绘制完电路框图后，需要编写相应的电路描述文件，描述电路的功能和连接方式。
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可编程 一次性
可编程 一次性
可编程 多次性
可编程 一次性
固定
固定
三态、集电极开路、 寄存器
三态、 I/O、寄存器、异或 输出、互补带反馈
输出逻辑宏单元 ( OLMC ) 组态由用户定义
2020/4/26
2.3 CPLD结构与工作原理
Complex Programmable Logic Device
输入1 输入2 输入3 输入4
查黑 找盒 表子
输出
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IOC
...
IOC
IOC
...
IOC
IOC
...
IOC
IOC
...
IOC
FPGA内部结构示意图
快速通道互连
IO...C
IOC
IOC
...
IOC
EAB EAB
逻辑阵列块 (LAB)
嵌入式乘法器 锁相环（PLL）
嵌入式 阵列块
IO...C
GAL General Array Logic Device
最多有8个或项，每个或项最多有32个与项
EPLD Erasable Programmable Logic Device
2020/4/26
PLD 类型
上述四种LDPLD器件比较 阵列
与
或
输出
PROM
固定
可编程，一次性
三态、集电极开路
PLA PAL
2020/4/26
2.2.4 PAL ( Programmable Array Logic)
可编程与阵列＋固定或阵列
A1 A0 A0
F0
A1
F1
F1 F0
图2-15 PAL结构
2020/4/26
图2-16 PAL的常用表示
可编程与阵列＋固定或阵列＋输出电路（有多种结构类型）
CLK/I 0 1
0
34
全局 全局
1、宏单元
清零 时钟
来自 I/O引脚
并行 扩展项
2
快速输入选择
寄存器
旁路
通往 I/O
模块
乘
积
项
选 择
时钟
矩
阵
清零
清零 选择
PRN DQ
EENNA CLRN
共享
逻辑阵列
逻辑
通往
扩展项
PIA
可编程与阵列＋固定或阵列＋OLMC
＝逻辑阵列＋乘积项选择矩阵＋可编程寄存器
2020/4/26 图2-26 MAX3000A系列的单个宏单元结构
并联扩展乘积项
宏单元中一些没 有被使用的乘积 项可分配到邻近 的宏单元去实现 快速、复杂的逻 辑函数。允许最 多20个乘积项直 接送到或逻辑。
2020/4/26
图2-29 并联扩展项馈送方式
2、可编程连线阵列PIA
专用输入、I/O引脚和宏单元输出都连接到PIA，用户 可编程控制PIA把器件中任何信号连接到其目的地。
0
0
0
0
1
16x1 1
RAM
0 0
0
0
0
0
0
1
1
2020/4/26
输入C 输入D 多路选择器
查找表 输出
＝函数发生器
基于查找表的结构模块
什么是查找表?
• 一个N输入查找表 (LUT，Look Up Table)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。
• 输入多于N个的函数、方程必须分开用几个查找表（ LUT）实现
或阵列 （可编程）
p2n
图2-10 PROM的逻辑阵列结构
F0 F1
Fm1
F0 Mp1,0Wp1M1,0W1M0,0W0 F的逻辑函数： F1 Mp1,1Wp1M1,1W1M0,1W0
Fm1 Mp1,m1Wp1M1,m1W1M0,m1W0
2020/4/26
举例：用4×2PROM实现半加器
A1
A0
2020/4/26
图2-30 PIA信号布线到LAB的方式
3、I/O控制块
允许每个I/O引 脚单独被配置为 输入、输出和双 向工作方式。
图2-31 MAX3000A系列 器件的I/O控制块
2020/4/26
CPLD的结构：
五个主要部分：
逻辑阵列块（LAB）
三 个 宏单元
基 扩展乘积项（共享和并联）
可编程与阵列＋可编程或阵列
A1
A0
或阵列
（可编程）
A1 A 1
A0 A 0
与阵列（可编程）
F1
F0
图2-13 PLA逻辑阵列示意图
2020/4/26
PLA利用率较高，但需要化简
A2
A1
A0
A2
A1
A0
F2 F1 F0
PLA（6×3）
PROM （8×3）
图2-14 PLA与 PROM的比较
F2 F1 F0
2020/4/26
2.1.3 可编程逻辑器件的发展历程
EPLD
PAL PLA PROM
器 件
CPLD
FPGA GAL
器 件
器 件
器 件
器 件器
件
器 件
70年代
2020/4/26
80年代
内嵌复杂 功能模块 的SoPC
90年代
2.2 简单PLD结构原理
2.2.1 逻辑元件符号表示
IEEE 1991版 IEEE 1984版
PROM PLA PAL GAL EPLD CPLD FPGA
图2-2 PLD按集成度分类
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按编程方式分：
一次性编程OTP（One Time Programmable）器件 可多次编程MTP（Many Time Programmable）器件
按结构特点分类：
乘积项逻辑可编程结构（PLD）：基本结构由与阵列 和或阵列组成。
A、B、C、D由PLD芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列 （PIA)，在内部会产生A、A非、B、B非、C、C非、D、D非8个输 出。图中每一个叉表示相连（可编程熔丝导通），所以得到：f= f1 + f2 = (ACD’) + (BCD’) 。
D触发器直接利用宏单元中的可编程D触发器来实现。 时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的全局时钟专用通道， 直接连接到可编程触发器的时钟端。 可编程触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。 （以上步骤均由软件自动完成，不需人为干预）
7 8 11 12 15 16 19 20 23 24 27 28 31
0
7 I1 2
8
15 I2 3
11
10 01
R
00
11
10 01
R
00
SL0 7 SG1 SL17
SL0 6 SG1 SL16
11
10 01
R
Vcc 00
DQ Q
11
10 01
R
00
11
R
10 01
00
SG0
SL06
11
10 01
IOC
IO...C
IOC
逻辑单元
IO...C
IOC
IO...C
IOC
IO...C
IOC IOC
...
IOC
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LE＝LUT＋可编程FF ＋进位链＋级联链（寄存器链）
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1、逻辑单元LE （Logic Element ）
普通模式 算术模式
2020/4/26
2、逻辑阵列块LAB Logic Array Block
0
(LUT，Look Up Table)
000
0
1
16× 1 1
图2-32 FPGA查找表单元
RAM
0 0 0
输入1
0 0
输入2
查找表
0
输入3
LUT
0 输出 1
输入4
1
输入B
输入C 输入D 多路选择器
查找表 输出
图2-33 FPGA查找表单元内部结构
2020/4/26
查找表原理
输入 A 输入 B
0
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逻辑阵列块(LAB，Logic Array Block) 一个LAB由16 个宏单元的阵 列组成。
图3-27 MAX3000的结构（Altera）
可编程连线阵列( PIA，Programmable Interconnect Array)
2020/4/26
来自 PIA的 36个信号（Programmable Interconnect Array）
EDA技术实用教程
第2章 FPGA／CPLD结构与应用
2.1 概 述
2.1.1 数字集成电路分类
• 通用型：逻辑功能比较简单，固定不变。 • 专用型（ASIC，Application Specific IC）
为某种专门用途而设计的集成电路。
数字 系统
• 可编程逻辑器件（PLD，Programmable Logic Device） 其逻辑功能可由用户通过对器件编程来设定。
SRAM查找表逻辑可编程结构（ FPGA ）：采用 RAM“数据”查找的方式，并用多个查找表构成一个阵列。
2020/4/26
按编程工艺分：
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、PLA和PAL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。 如EPLD。
本 部
可编程连线阵列（PIA）