第2章EDA——大规模可编程逻辑器件
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2.2.1 CPLD的基本结构 CPLD的基本结构可看成由逻辑阵列宏单元
和I/O控制模块两部分组成。
1．逻辑阵列宏单元
2. I/O控制模块
•CPLD中的I/O控制模块，基本上都由输出极性 转换电路、触发器和输出三态缓冲器三部分及 与它们相关的选择电路所组成。
•与PAL兼容的CPLD的I/O控制模块结构
•实现的函数为：
•五. PLD的结构类型
•PLD基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类： •（1）与固定、或编程：PROM •（2）与或全编程：FPLA •（3）与编程、或固定：PAL、GAL、EPLD、CPLD
•1. 与固定、或编程：（PROM ）
•全译码
•0 0 •0 0 •0 1
•F2
•固定连•编接程连接
•A •B •C •D
•F1=A•B•C
•A •B •C •D
•F2=B+C+D
•下图列出了连接的三种特殊情况:
•1.输入全编程，输出为0。 •2.也可简单地在对应的与门中画叉，因此E=D=0。 •3.乘积项与任何输入信号都没有接通，相当与门输出为1。
• 下图给出最简单的PROM电路图，右图是左图的简化形式。 •固•定（连与接）•点编•程（连或接）点
十一. 双向输入/输出和反馈输入的逻辑表示
•阵列表示 为
•与
阵
列
•或阵列
•三态缓 冲器有效
•带反馈 的输出端
三态缓冲器禁止的双向I/O反馈输入的阵列表示
•三态 门禁止
•输入 端
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，所以采用 了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。其基于乘 积项的结构模块基本都是由EEPROM和Flash工艺制 造的，一上电就可以工作，无需其他芯片配合。
•表2.7 XC2000/XC3000/XC3100及XC4000系列的配置模式
2.3.3 FPGA器件性能
•性能指标说明 •1) 器件标识的含义 •Xilinx器件的标识方法是：器件型号+封装形式 +封装引脚数+速度等级+环境温度。 •如 XC3164 PC 84-4 C 的含义是如 •第一项：XC3164下表：示器件型号。
• 阵列规模太小 • 寄存器资源不足 • I/O不够灵活 • 编程不方便 • 由此应运而生了CPLD、
FPGA……
六. 输入缓冲器和反馈缓冲器
单入双出的缓冲器单元，输出0态和1态。
•同极性输出端
•A
•（高有效输出端）
•A
•A
•反极性输出端
•（低有效输出端）
•注意与输出三态缓冲器的区别
七.输出极性可编程的异或门
不计较器件的封 装形式
•系统内编程--ISP
允许一般的存储 样机制造方便 支持生产和测试流
程中的修改
•在系统现场重编程修 改
允许现场硬件升级
迅速方便地提升功 能
边界扫描测试技术BST
• 边界扫描测试BST（Boundary-Scan Testing）是针对器 件密度及I/O口数增加，信号注入和测取难度越来越大而提出 的一种新的测试技术。 • 由联合测试活动组织JTAG（即 Joint Test Action Group ）提出，而后IEEE对此制定了测试标准，称为IEEE 1149.1 标准。
•20世纪70年代，最早的PLD
•PROM —可编程只读存储器 •Programmable Read Only Memory •PLA — 可编程逻辑阵列 •Programmable Logic Array
•70年代末，AMD公司推出了 •PAL — 可编程阵列逻辑 •Programmable Array Logic
2.4 在系统可编程(ISP)逻辑器件
ISP( In System Program )
•
对PLD的逻辑功能可随时进行修改
，由Lattice公司率先发明
•优点： • 方便硬件的调试； • 方便硬件版本的升级，类似于软件升级 。
•ISP功能提高设计和应用的灵活性
•未编程前先焊接安装
减少对器件的触 摸和损伤
•不像PROM那样与 阵列需要全译码
•可编程
•× •× •×
•×
•
3.
•代表器件PAL(Pr与ogrammable Array Logic)
• GAL(Ge编neric Array Logic)
程
、
或
固
定
• 每个交叉
点都可编程
•由于或阵列固 定，以后将只
画出或门
•O1为两个乘
•O1
积项之和
•各种PLD的结构特点 简单PLD被淘汰的原因
•在PLD中为了实现输出极性可编程，常采用如图所示 异或门结构。
•PLD表示为
•电
•地
源
编程后熔丝保留，输出高有效，即
编程后熔丝烧断，输出低有效，即
八. 地址可编程的数据选择器（MUX）
•1.二选一数选器（2:1MUX）
•编程后，行线和列线相接，选择D0
；
•
行线和列线断开，选择D1
。
2. 四选一数选器（4:1MUX）
80年代初，Lattice公司推出了 •GAL — 通用阵列逻辑 •Generic Array Logic
•80年代中期，Xinlinx公司推出了
•FPGA — 现场可编程门阵列 •Field Programmable Gate Array
•同时，Alteral 公司推出了 •EPLD —可电擦除的PLD •Erasable Programmable Logic Device •80年代末，Lattice公司推出了 •CPLD :—复杂可编程逻辑器件 •Complex Programmable Logic Device
； • 3.3 V或5.0 V工作模式。
2.3 现场可编程门阵列 (FPGA)
•基于查找表( Look Up Table )的结构模 块 •输入 A 输入 B 输入C 输入D
•0
•0
•0
•0
•0
•1
•16x1 •1
•RAM
•0 •0
•0
•0
•0
•0
•0
•1
•1
•多路选择器
•查找 表 •输出
• 2.3.1 FPGA器件的结
• 4.从可编程器件的编程元件上分类
•熔丝型(fuse)编程器件:大电流，OTP •EPROM (紫外线擦除)编程器件 •EEPROM (电可擦除)编程器件 •SRAM(静态存储器)编程器件:无限次编程
2.1.3 PLD的基本结构
• 可由或阵列直接输出， • 构成组合； ••输又•••出可P通构L既以过D成可是主寄时以高体存序是电器方低平输式电有出输平效，出有。。效，
•时钟信 •号输入
•输入口
•可编程与阵列
•逻辑宏单元 •三态控制
•输入/输出口 •固定或阵列
2.2.2 Alteral 公司的器件产品
•Alteral公司的产品在我国有较多的用户，如EP220 、EP224、EP6010、EP1810等经典产品应用颇广 。
• 主要特点： • 采用0.5μm CMOS SRAM工艺制造； • 具有在系统可编程特性； • 在所有I/O端口中有输入/输出寄存器
封装)
•XC3164 PC 84-4 C
•第三项：84表示封装引脚数。
• 一般有44、68、84、100、144、160、208、240 等数种，常用的器件封装引脚数有44、68、84、100 、144、160等，最大的达596个引脚。而最大用户 I/O是指相应器件中用户可利用的最大输入/输出引脚 数目，它与器件的封装引脚不一定相同。
第2章EDA——大规模可 编程逻辑器件
2020年7月23日星期四
2.1 可编程逻辑器件概述
•PLD:用户可编程，可实现各种组合逻辑和时序逻 辑的功能。
•编程： •选择阵列中熔丝加以摧毁的过程； •非熔丝型可编程器件中,指控制器件中 EECMOS管 或SARM单元的状态。
2.1.1 PLD的发展进程
•XC3164 PC 84-4 C
•第二项：PC表示器件的封装形式，主要有： PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier，塑料方形扁平封装) PQFP(Plastic Quad Flat Pack，塑料四方扁平封装) TQFP(Thin Quad Flat Pack，四方薄扁形封装) RQFP(Power Quad Flat Pack,大功率四方扁平封装) BGA(Bal Grid Array(Package)，球形网状阵列(封装)) PGA(Ceramic Pin Grid Array(Package)，陶瓷网状直插阵列(
•XC3164 PC 84-4 C
•第四项：- 4表示速度等级。
•速度等级有两种表示方法： •在较早的产品中，用触发器的反转速率来表示，单 位为MHz，一般分为-50、-70、-100、-125和-150； •在较后的产品中用一个CLB的延时来表示，单位为 ns，一般可分为-10、-8、- 6、-5、- 4、-3、-2、- 09 。
•A1A0=00，Y=D0 ； •A1A0=01，Y=D1 ； •A1A0=10，Y=D2 ； •A1A0=11，Y=D3
•两输入 都可编程 的异或门
•数据 分配器
•决定输出 高有效或
低有效
十. 激励方式可编程的时序记忆单元
•R/L（Register/Latch ） •R/L=0，为D锁存器； •R/L=1，为D触发器。
•可编程逻辑器件PLD的发展历程
•CPLD器件 •EPLD 器件 •FPGA器件
•GAL器件 •FPLA 器件
•PROM 和PLA 器件
•70年代
•80年代
•内嵌复杂 •功能模块 •的SoPC
•90年代
2.1.2 PLD的种类及分类方法
• 1．从结构的复杂程度分类 •简单PLD和复杂PLD(CPLD) •低密度PLD和高密度PLD(HDPLD)
•输入信号 •输入 •互补
•电路
•输入
•输出函数
•输出 •电路 •可直接
•输出
•反馈输入信号
•也可反馈到输入
• 2.1.4 PLD的表示方 法
一. 阵列交叉点的逻辑表示
•1. 实体连 •接行线和列线实实在在的连接
•此点不可编程
2.可编程连接
•编程前此点熔丝 处于接通状态
3. 编程后熔丝烧断
•此点为 •不连接
• 构 目前，Xilinx公司的FPGA芯片分为XC2000、
XC3000、XC4000、XC5000、XC6200、XC8100、 Spartan、Virture等系列。
2.3.2 FPGA的配置模式
• FPGA 的配置模式，即FPGA的下载。 • 由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部 分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在 掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片， 在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA 中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不 会影响系统正常工作。
•可编程逻辑器件PLD
•LDPLD
（
低密度 PLD）
•HDPLD （高密度PLD）
•PROM •FPLA •PAL •GAL •EPL D
•iSP •FPGA
• 2.从互连结构上分类
•确定型：CPLD •统计型：FPGA (无法确切预知线路延时)
3.从可编程特性上分类
•一次可编程 One Time Programmable •重复可编程 Re-programmable
•XC3164 PC 84-4 C
第五项： C表示环境温度范围。
•C —商用级 (0℃～85℃) • I —工业级 (-40℃～100℃) •M—军用级 (-55℃～125℃)
•2) 有关指标的说明
PROM大小是指配置数据所需的PROM大小(单位为bit)。 输出驱动电流： XC2000和XC3000系列为4 mA； XC3100/A为8 mA： XC3100L为4 mA； XC4000/A/D/E/EX为12 mA； XC4000H为24 mA： XC4000L为4 mA； XC5200和XC6200为8 mA； XC8100为24 mA。
点
•二. 二极管与门和或门电路
•1. 与门电路
2. 或门电路
三. 与阵列的PLD表示
•未编程或熔丝全部保留
编程后实现
的与阵列表示
•熔 丝
保 留
四. 或阵列的PLD表示
•未编程或实现 f =p1+p2+p3
•熔丝全保 留
实现 f = P1+P3 的PLD表示
•与门和或门的表示方法
•×
•F1
•A •B •C
0
•A •B •C
1
0
•1 1 1
•连接点编程 时,需画一个叉
•2. 与、或全编程
• 代表器件是PLA（Programmable Logic Array）。在PLD 中，它的灵活性最高。下图给出了PLA的阵列结构。
•由于与或阵列均能编程的 特点，在实现函数时，所需 的是简化后的乘积项之和， 这样阵列规模比PROM小得 多
和I/O控制模块两部分组成。
1．逻辑阵列宏单元
2. I/O控制模块
•CPLD中的I/O控制模块，基本上都由输出极性 转换电路、触发器和输出三态缓冲器三部分及 与它们相关的选择电路所组成。
•与PAL兼容的CPLD的I/O控制模块结构
•实现的函数为：
•五. PLD的结构类型
•PLD基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类： •（1）与固定、或编程：PROM •（2）与或全编程：FPLA •（3）与编程、或固定：PAL、GAL、EPLD、CPLD
•1. 与固定、或编程：（PROM ）
•全译码
•0 0 •0 0 •0 1
•F2
•固定连•编接程连接
•A •B •C •D
•F1=A•B•C
•A •B •C •D
•F2=B+C+D
•下图列出了连接的三种特殊情况:
•1.输入全编程，输出为0。 •2.也可简单地在对应的与门中画叉，因此E=D=0。 •3.乘积项与任何输入信号都没有接通，相当与门输出为1。
• 下图给出最简单的PROM电路图，右图是左图的简化形式。 •固•定（连与接）•点编•程（连或接）点
十一. 双向输入/输出和反馈输入的逻辑表示
•阵列表示 为
•与
阵
列
•或阵列
•三态缓 冲器有效
•带反馈 的输出端
三态缓冲器禁止的双向I/O反馈输入的阵列表示
•三态 门禁止
•输入 端
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，所以采用 了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。其基于乘 积项的结构模块基本都是由EEPROM和Flash工艺制 造的，一上电就可以工作，无需其他芯片配合。
•表2.7 XC2000/XC3000/XC3100及XC4000系列的配置模式
2.3.3 FPGA器件性能
•性能指标说明 •1) 器件标识的含义 •Xilinx器件的标识方法是：器件型号+封装形式 +封装引脚数+速度等级+环境温度。 •如 XC3164 PC 84-4 C 的含义是如 •第一项：XC3164下表：示器件型号。
• 阵列规模太小 • 寄存器资源不足 • I/O不够灵活 • 编程不方便 • 由此应运而生了CPLD、
FPGA……
六. 输入缓冲器和反馈缓冲器
单入双出的缓冲器单元，输出0态和1态。
•同极性输出端
•A
•（高有效输出端）
•A
•A
•反极性输出端
•（低有效输出端）
•注意与输出三态缓冲器的区别
七.输出极性可编程的异或门
不计较器件的封 装形式
•系统内编程--ISP
允许一般的存储 样机制造方便 支持生产和测试流
程中的修改
•在系统现场重编程修 改
允许现场硬件升级
迅速方便地提升功 能
边界扫描测试技术BST
• 边界扫描测试BST（Boundary-Scan Testing）是针对器 件密度及I/O口数增加，信号注入和测取难度越来越大而提出 的一种新的测试技术。 • 由联合测试活动组织JTAG（即 Joint Test Action Group ）提出，而后IEEE对此制定了测试标准，称为IEEE 1149.1 标准。
•20世纪70年代，最早的PLD
•PROM —可编程只读存储器 •Programmable Read Only Memory •PLA — 可编程逻辑阵列 •Programmable Logic Array
•70年代末，AMD公司推出了 •PAL — 可编程阵列逻辑 •Programmable Array Logic
2.4 在系统可编程(ISP)逻辑器件
ISP( In System Program )
•
对PLD的逻辑功能可随时进行修改
，由Lattice公司率先发明
•优点： • 方便硬件的调试； • 方便硬件版本的升级，类似于软件升级 。
•ISP功能提高设计和应用的灵活性
•未编程前先焊接安装
减少对器件的触 摸和损伤
•不像PROM那样与 阵列需要全译码
•可编程
•× •× •×
•×
•
3.
•代表器件PAL(Pr与ogrammable Array Logic)
• GAL(Ge编neric Array Logic)
程
、
或
固
定
• 每个交叉
点都可编程
•由于或阵列固 定，以后将只
画出或门
•O1为两个乘
•O1
积项之和
•各种PLD的结构特点 简单PLD被淘汰的原因
•在PLD中为了实现输出极性可编程，常采用如图所示 异或门结构。
•PLD表示为
•电
•地
源
编程后熔丝保留，输出高有效，即
编程后熔丝烧断，输出低有效，即
八. 地址可编程的数据选择器（MUX）
•1.二选一数选器（2:1MUX）
•编程后，行线和列线相接，选择D0
；
•
行线和列线断开，选择D1
。
2. 四选一数选器（4:1MUX）
80年代初，Lattice公司推出了 •GAL — 通用阵列逻辑 •Generic Array Logic
•80年代中期，Xinlinx公司推出了
•FPGA — 现场可编程门阵列 •Field Programmable Gate Array
•同时，Alteral 公司推出了 •EPLD —可电擦除的PLD •Erasable Programmable Logic Device •80年代末，Lattice公司推出了 •CPLD :—复杂可编程逻辑器件 •Complex Programmable Logic Device
； • 3.3 V或5.0 V工作模式。
2.3 现场可编程门阵列 (FPGA)
•基于查找表( Look Up Table )的结构模 块 •输入 A 输入 B 输入C 输入D
•0
•0
•0
•0
•0
•1
•16x1 •1
•RAM
•0 •0
•0
•0
•0
•0
•0
•1
•1
•多路选择器
•查找 表 •输出
• 2.3.1 FPGA器件的结
• 4.从可编程器件的编程元件上分类
•熔丝型(fuse)编程器件:大电流，OTP •EPROM (紫外线擦除)编程器件 •EEPROM (电可擦除)编程器件 •SRAM(静态存储器)编程器件:无限次编程
2.1.3 PLD的基本结构
• 可由或阵列直接输出， • 构成组合； ••输又•••出可P通构L既以过D成可是主寄时以高体存序是电器方低平输式电有出输平效，出有。。效，
•时钟信 •号输入
•输入口
•可编程与阵列
•逻辑宏单元 •三态控制
•输入/输出口 •固定或阵列
2.2.2 Alteral 公司的器件产品
•Alteral公司的产品在我国有较多的用户，如EP220 、EP224、EP6010、EP1810等经典产品应用颇广 。
• 主要特点： • 采用0.5μm CMOS SRAM工艺制造； • 具有在系统可编程特性； • 在所有I/O端口中有输入/输出寄存器
封装)
•XC3164 PC 84-4 C
•第三项：84表示封装引脚数。
• 一般有44、68、84、100、144、160、208、240 等数种，常用的器件封装引脚数有44、68、84、100 、144、160等，最大的达596个引脚。而最大用户 I/O是指相应器件中用户可利用的最大输入/输出引脚 数目，它与器件的封装引脚不一定相同。
第2章EDA——大规模可 编程逻辑器件
2020年7月23日星期四
2.1 可编程逻辑器件概述
•PLD:用户可编程，可实现各种组合逻辑和时序逻 辑的功能。
•编程： •选择阵列中熔丝加以摧毁的过程； •非熔丝型可编程器件中,指控制器件中 EECMOS管 或SARM单元的状态。
2.1.1 PLD的发展进程
•XC3164 PC 84-4 C
•第二项：PC表示器件的封装形式，主要有： PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier，塑料方形扁平封装) PQFP(Plastic Quad Flat Pack，塑料四方扁平封装) TQFP(Thin Quad Flat Pack，四方薄扁形封装) RQFP(Power Quad Flat Pack,大功率四方扁平封装) BGA(Bal Grid Array(Package)，球形网状阵列(封装)) PGA(Ceramic Pin Grid Array(Package)，陶瓷网状直插阵列(
•XC3164 PC 84-4 C
•第四项：- 4表示速度等级。
•速度等级有两种表示方法： •在较早的产品中，用触发器的反转速率来表示，单 位为MHz，一般分为-50、-70、-100、-125和-150； •在较后的产品中用一个CLB的延时来表示，单位为 ns，一般可分为-10、-8、- 6、-5、- 4、-3、-2、- 09 。
•A1A0=00，Y=D0 ； •A1A0=01，Y=D1 ； •A1A0=10，Y=D2 ； •A1A0=11，Y=D3
•两输入 都可编程 的异或门
•数据 分配器
•决定输出 高有效或
低有效
十. 激励方式可编程的时序记忆单元
•R/L（Register/Latch ） •R/L=0，为D锁存器； •R/L=1，为D触发器。
•可编程逻辑器件PLD的发展历程
•CPLD器件 •EPLD 器件 •FPGA器件
•GAL器件 •FPLA 器件
•PROM 和PLA 器件
•70年代
•80年代
•内嵌复杂 •功能模块 •的SoPC
•90年代
2.1.2 PLD的种类及分类方法
• 1．从结构的复杂程度分类 •简单PLD和复杂PLD(CPLD) •低密度PLD和高密度PLD(HDPLD)
•输入信号 •输入 •互补
•电路
•输入
•输出函数
•输出 •电路 •可直接
•输出
•反馈输入信号
•也可反馈到输入
• 2.1.4 PLD的表示方 法
一. 阵列交叉点的逻辑表示
•1. 实体连 •接行线和列线实实在在的连接
•此点不可编程
2.可编程连接
•编程前此点熔丝 处于接通状态
3. 编程后熔丝烧断
•此点为 •不连接
• 构 目前，Xilinx公司的FPGA芯片分为XC2000、
XC3000、XC4000、XC5000、XC6200、XC8100、 Spartan、Virture等系列。
2.3.2 FPGA的配置模式
• FPGA 的配置模式，即FPGA的下载。 • 由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部 分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在 掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片， 在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA 中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不 会影响系统正常工作。
•可编程逻辑器件PLD
•LDPLD
（
低密度 PLD）
•HDPLD （高密度PLD）
•PROM •FPLA •PAL •GAL •EPL D
•iSP •FPGA
• 2.从互连结构上分类
•确定型：CPLD •统计型：FPGA (无法确切预知线路延时)
3.从可编程特性上分类
•一次可编程 One Time Programmable •重复可编程 Re-programmable
•XC3164 PC 84-4 C
第五项： C表示环境温度范围。
•C —商用级 (0℃～85℃) • I —工业级 (-40℃～100℃) •M—军用级 (-55℃～125℃)
•2) 有关指标的说明
PROM大小是指配置数据所需的PROM大小(单位为bit)。 输出驱动电流： XC2000和XC3000系列为4 mA； XC3100/A为8 mA： XC3100L为4 mA； XC4000/A/D/E/EX为12 mA； XC4000H为24 mA： XC4000L为4 mA； XC5200和XC6200为8 mA； XC8100为24 mA。
点
•二. 二极管与门和或门电路
•1. 与门电路
2. 或门电路
三. 与阵列的PLD表示
•未编程或熔丝全部保留
编程后实现
的与阵列表示
•熔 丝
保 留
四. 或阵列的PLD表示
•未编程或实现 f =p1+p2+p3
•熔丝全保 留
实现 f = P1+P3 的PLD表示
•与门和或门的表示方法
•×
•F1
•A •B •C
0
•A •B •C
1
0
•1 1 1
•连接点编程 时,需画一个叉
•2. 与、或全编程
• 代表器件是PLA（Programmable Logic Array）。在PLD 中，它的灵活性最高。下图给出了PLA的阵列结构。
•由于与或阵列均能编程的 特点，在实现函数时，所需 的是简化后的乘积项之和， 这样阵列规模比PROM小得 多