【PPT】FPGA硬件设计概要

CPLD
Altera由Robert Hartmann、Michael Magranet、Paul Newhagen和Jim Sansbury于1983年创立，这些有远见的人们对 当时的研究进行投资，认为半导体客户将从用户可编程标准产 品中受益，逐步取代逻辑门阵列。为满足这些市场需求， Altera的创始人发明了首款可编程逻辑器件(PLD)棗EP300，开 创了半导体业界全新的市场领域。这一灵活的新解决方案在市 场上打败了传统的标准产品，为Altera带来了半导体创新领先 企业的盛誉。 1983 : Altera公司成立
Lattice是ISP技术和器件的发明者，同时也是isp/pLSI，
GAL／ispGAL、ispGDS和E2CMOS PLD技术的开拓者。目前，
Lattice拥有业界最快的PLD－isp LSI 2032VE，它的速度已达到 了300MHz，同时有3ns的管脚到管脚的延迟，是其第二代3.3V SPLD（简单PLD ）产品中三分之二用于通信领域，公司的销售 工程师80％左右都曾是产品设计工程师。
⑧ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。
⑨一般情况下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度 越高越明显。
CPLD最基本的单元是宏单元。一个宏单元包含一个寄存 器(使用多达16个乘积项作为其输入)及其它有用特性。 因为每个宏单元用了16个乘积项，因此设计人员可部署大量的 组合逻辑而不用增加额外的路径。这就是为何CPLD被认为是 “逻辑丰富”型的。 宏单元以逻辑模块的形式排列(LB)，每个逻辑模块由16 个宏单元组成。宏单元执行一个AND操作，然后一个OR操作 以实现组合逻辑。
联是集总式的。
⑦在编程方式上,ＣＰＬＤ主要是基于Ｅ2ＰＲＯＭ或Ｆ
ＬＡＳＨ存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时
编程信息也不丢失。ＣＰＬＤ又可分为在编程器上编程和在 系统编程两类。ＦＰＧＡ大部分是基于ＳＲＡＭ编程,编程信
息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程
数据重新写入ＳＲＡＭ中。其优点是可以编程任意次,可在工 作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。
Super FAST BFW高密度PLD的代表之一。Lattice的各种CPLD、
什么叫isp技术？
什么叫isp下载技术
ISP（In-System Programming）在系统可编程， 指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码， 而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以
用ISP方式擦除或再编程
EDA技术
第9章 FPGA硬件设计
内
容
9.1 Cyclone系列FPGA器件的特点 9.2 EP1C3 FPGA硬件设计 9.3 Quartus II开发平台应用 9.4 简单的LED测试程序
9.1 Cyclone系列 FPGA器件的特点
CPLD与FPGA的选择
Cyclone系列FPGA器件的特点
Ross Freeman是 Xilinx创始人之一，发明了“现场可编 程门阵列”（ FPGA）这种新型可编程逻辑。 Bernie Vonderschmitt是Xilinx创始人之一，提出了“无工厂”半导体 这一创新理论。
他们希望创建一家在新领域内开发和推出先进技术的公司。 并且，他们还希望以这种方式领导它：在这里工作的人们热爱 他们的工作、享受工作的乐趣，并对他们所从事的工作着迷。
表9.4 Cyclone III器件的内部资源
器件 逻辑单元 M9K 嵌入式存储 器模块 RAM 总容量 (Kbits) 嵌入式18x18乘法 器 PLL 最大用户I/O引脚 数量 差分通道 EP3 C5 EP3C EP3C EP3C EP3C EP3C EP3C EP3C1 10 16 25 40 55 80 20 15,40 8 56 516 56 4 345 140 24,62 4 66 608 66 4 214 83 39,60 0 126 1,161 126 4 534 227 55,85 6 260 2,396 156 4 376 163 81,26 4 305 2,811 244 4 428 181 119,08 8 432 3,981 288 4 530 233
和可预测的,而ＦＰＧＡ的分段式布线结构决定了其延迟的不可
预测性。 ③在编程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的灵活性。ＣＰＬ Ｄ通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,ＦＰＧＡ主要 通过改变内部连线的布线来编程;ＦＰ ＧＡ可在逻辑门下编程,而
ＣＰＬＤ是在逻辑块下编程。
④ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更复杂的布线结构
这项推动Xilinx成立的技术在1984年的时候还被人们认为 是古怪的理论。 新型半导体（现称为现场可编程门阵列）由 Xilinx创始人之一Ross Freeman发明，是一种全新的可编程逻 辑。
有效的合作伙伴关系
Bernie Vonderschmitt是一名工程师，并获MBA学位，
提出了一个功能强大的、针对新型企业的企业模型。 他担任
CPLD有什麽好处？
1、I/O数量多 CPLD的好处之一是在给定的器件密度上可提供更多的I/O数，有时甚至 高达70%。 2、时序模型简单 CPLD优于其它可编程结构之处在于它具有简单且可预测的时序模型。 这种简单的时序模型主要应归功于CPLD的粗粒度特性。 CPLD可在给定的时间内提供较宽的相等状态，而与路由无关。这一能 力是设计成功的关键，不但可加速初始设计工作，而且可加快设计调试过程。 3、粗粒CPLD结构的优点 CPLD是粗粒结构，这意味著进出器件的路径经过较少的开关，相应地 延迟也小。因此，与等效的FPGA相比，CPLD可工作在更高的频率，具有更 好的性能。 4、CPLD的另一个好处是其软件编译快，因为其易于路由的结构使得布放设 计任务更加容易执行。
的FPGA,采用0.13um,全铜SRAM工艺,容量从2,910个
逻辑单元到20,010个逻辑单元,1.5v内核。
表9.1 Cyclone系列的内部资源
特性 逻辑单元（LE） EP1C3 2,910 EP1C4 4,000 17 78,336 2 EP1C6 5,980 20 92,160 2 EP1C12 12,060 52 239,616 2 EP1C2 0 20,060 64 294,912 2
CPLD与FPGA的选择
CPLD与FPGA有什么区别？
FPGA
1984年在硅谷工作的2个聪明的工程师和1个营销主管作了一 个梦。 Bernie Vonderschmitt、Ross Freeman和Jim Barnett梦想 创立一家不同于一般的公司。
Ross Freeman是Xilinx创始人之一，Bernie Vonderschmitt是Xilinx 创始人之一，提出了“无工 发明了“现场可编程门阵列” （FPGA）这种新型可编程逻辑。 厂”半导体这一创新理论
M4KRAM块（4Kbit＋ 13 ห้องสมุดไป่ตู้偶校验） RAM总量 PLLs 59,904 1
最大用户I/O数
差分通道 封装
104
34 TQFP, PQFP
301
129 TQFP, PQFP
185
72 TQFP,PQFP, FBGA
249
103 PQFP, FBGA
301
129 FBGA
9.1.3 Cyclone II器件介绍 Altera公司于2004年6月推出了Cyclone II系列 FPGA器件，是Cyclone系列FPGA的新一代产品，也是 低成本FPGA类型。CycloneII FPGA采用TSMC 90nm
Low-K工艺，1.2v内核。CycloneII将和高性能的
StratixII FPGA成为Altera未来几年中的两个主要FPGA 产品。
表9.2 Cyclone II系列FPGA的内部资源
特性 逻辑单元 （ LE ） M4K RAM 块 RAM 总量 EP2C5 4,608 26 119,808 EP2C8 8,256 36 165,888 EP2C20 18,752 52 239,616 EP2C35 33,216 105 483,840 EP2C50 50,528 129 594,432 EP2C70 68,416 250 1,152,000
FPGA (Field Programmable
Gate Arry)是指现场可编程
门阵列，最早由Xilinx公司 发明。内部由许多陈列排
列的LE（Logic Element)
组成，编程多为SRAM 工 艺,基于查找表（Look Up
Table）结构，要外挂配置
用的EPROM。现在也有内 部编程采用Fllash工艺的， 掉电后不须重新烧录。
尽管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可编程ＡＳＩＣ器件 , 有很多共同特点,但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ结构上的差 异,具有各自的特点:
①ＣＰＬＤ更适合完成各种算法和组合逻辑,ＦＰＧＡ更适合
于完成时序逻辑。换句话说,ＦＰＧＡ更适合于触发器丰富的结
构,而ＣＰＬＤ更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。 ②ＣＰＬＤ的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的
和逻辑实现。
⑤ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起来更方便。ＣＰＬＤ的编 程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技术,无需外部存储 器芯片,使用简单。而ＦＰＧＡ的编程信息需存放在外部存储器 上,使用方法复杂。 ⑥ＣＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快,并且具有较大的时间可 预测性。这是由于ＦＰＧＡ是门级编程,并且ＣＬＢ之间采用分 布式互联,而ＣＰＬＤ是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互
细粒FPGA结构的优点
1、FPGA是细粒结构，这意味著每个单元间存在细粒延迟。
如果将少量的逻辑紧密排列在一起，FPGA的速度相当快。然而，随 著设计密度的增加，信号不得不通过许多开关，路由延迟也快速增加，从而 削弱了整体性能。CPLD的粗粒结构却能很好地适应这一设计布局的改变。
2、如果设计中使用到大量触发器（时序逻辑），那么使用FPGA就是一个很 好选择。 根据结构和原理可以知道，PLD分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元 就可以分解十几个甚至20－30多个组合逻辑输入。而FPGA的一个LUT只能 处理4输入的组合逻辑，因此，PLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑。 3、 3、FPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多
FPGA的制造工艺确定了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，PLD一般只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格 除以逻辑单元数量，FPGA的平均逻辑单元成本大大低于PLD。
9.1 Cyclone系列 FPGA器件的特点
2002年9月23日,Altera宣布推出新一代低成本 FPGA。Cyclone（飓风）是一款低价格、中等密度
1984:EP300 器件和管芯, 世界上第一款可编程逻辑器件(PLD)
除了英特尔和AMD之间波澜起伏的市场争斗，半导体行业 的竞争都比不上Xilinx和Altera之间的冲突来得有趣、刺激。
内部由许多陈列排列的乘积项组成，编程多为EEPROM工艺， 无需外挂配置用的EPROM。
Lattice在PLD领域以创新求发展
RCA的Solid State部门总经理之职时，他确信应与3个生产半导 体的工厂合作，以便避开化费昂贵并且还很麻烦的半导体工厂。 “如果我要创建一家半导体公司，它要实现无工厂化，”他发 誓说。 “我们要找到能够为我们进行生产的合作伙伴。” 这正是Xilinx公司1984年所作的工作。 自那以后，这种思 想开始盛行，以至于现在全球有近700家无工厂半导体公司。
as模式模式psps模式模式jtagjtag模式模式信号名称信号名称说明说明信号名称信号名称说明说明信号名称信号名称说明说明11dclkdclk时钟信号时钟信号dclkdclk时钟信号时钟信号dclkdclk时钟信号时钟信号22gndgndgndgndgndgnd33confdoneconfdone配置完成配置完成confdoneconfdone配置完成配置完成tdotdo数据从设备数据从设备输出输出44vcctrgtvcctrgt电源电源vcctrgtvcctrgt电源电源vcctrgtvcctrgt电源电源55nconfignconfig配置控制配置控制nconfignconfig配置控制配置控制tmstms配置控制配置控制66ncence芯片使能芯片使能未连接未连接未连接未连接77dataoutdataout串行数据串行数据输出输出nstatusnstatus配置状态配置状态未连接未连接88ncsncs串行配置串行配置驱动芯片驱动芯片选择选择未连接未连接未连接未连接99asdiasdi活动串行活动串行数据输入数据输入dataodatao数据输入数据输入到设备到设备tditdi数据输入到数据输入到设备设备1010gndgndgndgndgndgndbyteblasterii下载线所示vcc电源电压与所连接的cpldfpga芯片的io口电源电压有关常见的电压配置如表95所示
嵌入式18× 18乘法器
锁相环 （PLL） 最大可用 I/O管脚
13
2 142
18
2 182
26
4 315
35
4 475
86
4 450
150
4 622
9.1.4 Cyclone III器件介绍
Altera公司于2007年07月宣布开始发售业界的首款65nm 低成本FPGA——Cyclone III系列。Cyclone III FPGA含有5K至 120K逻辑单元(LE)，288个数字信号处理(DSP)乘法器，存储器 达到4Mbits。 Cyclone III系列比前一代产品每逻辑单元成本降低20%， 使设计人员能够更多地在成本敏感的应用中使用FPGA。 Cyclone III FPGA 采用台湾半导体生产公司 (TSMC) 的 65nm 低功耗 (LP) 工艺技术生产，其他的主要半导体生产商也在 小型器件中采用了该技术。