第3章-可编程逻辑器件工艺和结构(第3讲)
《可编程逻辑器件原理与应用》课程标准
《可编程逻辑器件原理与应用》课程标准可编程逻辑器件原理与应用课程标准一、课程简介可编程逻辑器件（Programmable Logic Devices，PLDs）是现代电子系统设计中不可或缺的重要组成部分。
本课程旨在介绍PLDs 的原理与应用，探讨其在数字逻辑设计、电路实现和系统集成中的作用。
通过本课程的研究，学生将能够理解PLDs的基本原理、掌握PLDs的编程方法和调试技巧，并能够将PLDs应用于各种电子系统设计中，提高系统的灵活性和可靠性。
二、课程内容1. PLDs简介与分类- PLDs的概念及发展历程- PLDs的分类和特点2. 基本逻辑与布尔代数回顾- 布尔代数的基本概念- 布尔函数与逻辑运算- 基本逻辑门电路的实现与设计3. 可编程逻辑器件的结构与工作原理- 可编程逻辑器件的主要组成部分- 可编程逻辑器件的工作原理及编程方式4. 可编程逻辑器件的编程方法与调试技巧- 可编程逻辑器件的编程工具介绍- 可编程逻辑器件的编程语言与语法- 编程过程中的调试方法和技巧5. 可编程逻辑器件在数字逻辑设计中的应用- 基本组合逻辑电路的设计与实现- 时序逻辑电路的设计与实现- 数字系统的设计与实现三、课程目标通过本课程的研究，学生应能达到以下目标：1. 理解可编程逻辑器件的基本原理和分类。
2. 掌握布尔代数的基本概念和逻辑运算。
3. 了解可编程逻辑器件的结构和工作原理，并能够正确编程和配置PLDs。
4. 熟练掌握可编程逻辑器件的编程工具，能够使用编程语言进行程序设计。
5. 能够运用可编程逻辑器件设计和实现基本组合逻辑电路、时序逻辑电路和数字系统。
6. 培养工程实践能力，具备系统集成和调试能力。
四、教学方法- 授课：通过理论讲解，结合实例进行授课，让学生理解PLDs 的原理和应用。
- 实验：通过编程实践和实验操作，培养学生的操作和调试能力。
- 小组讨论：组织学生进行小组讨论，分享实践经验和解决问题。
五、考核方式- 平时表现：包括课堂参与、作业完成情况和实验报告等。
《可编程逻辑器件原理与设计》课程标准
《可编程逻辑器件原理与设计》课程标准可编程逻辑器件原理与设计课程标准1. 课程背景介绍本课程旨在介绍可编程逻辑器件（PLD）的原理与设计方法。
PLD是数字电路中的重要组成部分，具有灵活性和可重构性。
通过本课程的研究，学生将了解PLD的基本概念、原理和应用，掌握PLD的设计方法和工具的使用。
2. 课程目标本课程旨在培养学生的以下能力：- 理解数字电路的基本原理与设计方法；- 掌握可编程逻辑器件（如FPGA、CPLD）的基本概念和工作原理；- 学会使用PLD设计工具进行电路的逻辑设计和仿真；- 能够独立完成PLD电路设计和调试；- 培养学生的团队合作与沟通能力。
3. 课程大纲3.1 基础知识介绍- 数制与编码- 布尔代数和逻辑函数- 组合逻辑电路- 时序逻辑电路3.2 可编程逻辑器件概述- 可编程逻辑器件的发展历程- 可编程逻辑器件的分类与特点- 可编程逻辑器件的工作原理3.3 FPGA设计流程- FPGA的基本结构- FPGA的编程方法- FPGA设计工具的使用- FPGA设计流程实例3.4 CPLD设计方法- CPLD的概念与应用- CPLD的设计方法与工具- CPLD设计案例分析3.5 高级主题- 时序分析与时序优化- IP核的集成与设计- 高级FPGA应用案例介绍4. 课程评估与考核本课程的评估与考核方式主要包括：- 课堂作业：包括设计题目和仿真验证- 实验报告：针对PLD设计实验的报告撰写与展示- 期末考试：包括理论知识与实际应用的综合考核5. 参考资料- J.H. 雷金斯. 可编程逻辑器件原理与设计. 机械工业出版社, 2008.- R.L. 贺顿, N.H. 冯塞尔. 可编程逻辑器件与FPGA设计. 人民邮电出版社, 2019.以上是《可编程逻辑器件原理与设计》课程的标准，本课程旨在提供学生对PLD的全面认识，并培养学生的逻辑设计与电路实现能力。
通过本课程的学习，学生将能够独立完成PLD电路的设计、调试和优化，为将来的数字电路设计与嵌入式系统开发打下坚实基础。
《可编程逻辑器件开发与应用》课程标准
《可编程逻辑器件开发与应用》课程标准可编程逻辑器件开发与应用课程标准1. 课程背景可编程逻辑器件（PLD）作为现代数字电路设计的重要组成部分，具有高度可编程性和灵活性，广泛应用于各种电子设备和系统中。
为了满足市场对于专业人才的需求，本课程旨在培养学生对于可编程逻辑器件的开发与应用的能力。
2. 课程目标该课程的主要目标是使学生掌握以下能力：- 了解可编程逻辑器件的基本原理和特性；- 掌握可编程逻辑器件的开发流程和工具；- 研究使用HDL语言进行可编程逻辑器件设计；- 掌握PLD的应用场景和相关技术。
3. 课程内容3.1 可编程逻辑器件基础知识- 可编程逻辑器件的概述- 可编程逻辑器件的分类和特点- 可编程逻辑器件与固定逻辑器件的比较3.2 可编程逻辑器件开发流程- 可编程逻辑器件开发的步骤和流程- 可编程逻辑器件开发工具的介绍和应用3.3 HDL语言设计- HDL语言的基本概念和语法- HDL语言在可编程逻辑器件设计中的应用- HDL语言的仿真和验证3.4 可编程逻辑器件应用案例- 可编程逻辑器件在数字电路设计中的应用- 可编程逻辑器件在嵌入式系统设计中的应用- 可编程逻辑器件在通信系统设计中的应用4. 评估方式为了全面评估学生对于可编程逻辑器件开发与应用的掌握程度，本课程将采用以下评估方式：- 课堂作业：包括理论问题和实践操作；- 实验报告：根据实验项目的要求撰写实验报告；- 期末考试：综合考核学生的知识理解和应用能力。
5. 参考教材- 《可编程逻辑器件设计与应用》, 许伟伟, 清华大学出版社, 2015.- 《数字电路与逻辑设计》, 林东波, 电子工业出版社, 2017.6. 授课方式- 本课程采用面授的方式进行教学；- 鼓励学生参与互动，提问和解答问题；- 提供实践操作和实验项目，加强学生的实际能力。
7. 授课大纲请参考附件中的《可编程逻辑器件开发与应用课程大纲》。
以上为《可编程逻辑器件开发与应用》课程标准的初步内容，希望能够为学生提供系统和全面的知识培训，培养其在可编程逻辑器件领域的专业能力与创新思维。
1可编程逻辑器件基本概念及设计流程汇总
1可编程逻辑器件基本概念及设计流程汇总可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是一种数字电路的集成电路，具有灵活可编程的功能，可以根据需要实现各种不同的逻辑功能。
它是一种重要的数字逻辑芯片，广泛应用于数字系统的设计和实现中。
本文将总结可编程逻辑器件的基本概念及设计流程。
一、可编程逻辑器件的基本概念1.可编程逻辑器件的定义可编程逻辑器件（PLD）是指那些能够自由地对其内部逻辑电路进行编程的逻辑器件。
它具有一定的可编程性，可以根据需要改变其内部的逻辑功能。
2.可编程逻辑器件的分类可编程逻辑器件主要分为两种类型：可编程的阵列逻辑器件（Programmable Array Logic，PAL）和可编程逻辑阵列器件（Programmable Logic Array，PLA）。
PLD广义上也可以包括更高级的可编程逻辑器件（CPLD）和可编程门阵列器件（FPGA）。
3.可编程逻辑器件的优势可编程逻辑器件具有以下优势：-灵活性：可以根据需要实现不同的逻辑功能，适用于复杂和多变的数字系统设计。
-可编程性：通过编程器进行编程，可以实现逻辑功能的修改和更新。
-高集成度：可编程逻辑器件集成了大量的逻辑门电路，具有较高的集成度和较小的体积。
二、可编程逻辑器件的设计流程可编程逻辑器件的设计流程包括了设计准备、设计输入、设计实现和设计验证等阶段。
1.设计准备在进行可编程逻辑器件设计之前，需要进行一些准备工作，包括以下内容：-确定设计需求和目标。
-选择适合的可编程逻辑器件类型和型号。
-了解并熟悉所选器件的特性和规格。
2.设计输入在设计输入阶段，需要对逻辑功能进行描述和建模，并将其转化为适合可编程逻辑器件的编程语言或者硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）。
常用的HDL包括VHDL和Verilog等。
3.设计实现在设计实现阶段，需要使用特定的设计软件或者集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）进行设计实现工作。
第3章-可编程逻辑器件工艺和结构(第1讲)
可编程逻辑器件工艺和结构可编程逻辑器件发展历史--第1阶段上世纪70年代，可编程器件只有简单的可编程只读存储器（PROM ）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM ）和电可擦只读存储器（EEPROM ）3种。
由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。
可编程逻辑器件发展历史--第2阶段上世纪80年代，出现了可编程阵列逻辑（PAL ）和通用阵列逻辑（GAL ）器件，正式被称为PLD 。
☐典型的PLD 由“与”、“非”阵列组成，用“与或”表达式来实现任意组合逻辑，所以PLD 能以乘积和形式完成大量的逻辑组合。
☐PAL 器件只能实现可编程，在编程以后无法修改；如需要修改，则需要更换新的PAL 器件。
☐GAL 器件不需要进行更换，只要在原器件上再次编程即可。
可编程逻辑器件发展历史--第3阶段上世纪90年代，众多可编程逻辑器件厂商推出了与标准门阵列类似的FPGA 和类似于PAL 结构的扩展性CPLD 。
☐提高了逻辑运算的速度；☐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。
兼容了PLD 和通用门阵列的优点；☐能够实现超大规模的电路，编程方式也很灵活，成为产品原型设计和中小规模（一般小于10000）产品生产的首选。
可编程逻辑器件发展历史--第4阶段本世纪初，将现场可编程门阵列和CPU 相融合，并且集成到一个单个的FPGA 器件中，称为异构架构。
典型的，Xilinx 推出了两种基于FPGA 的嵌入式解决方案：☐内嵌PowerPC 硬核微处理器、ARM Cortex-A9 双核硬核嵌入式处理器。
☐提供了低成本的嵌入式软核处理器，如：MicroBlaze 、Picoblaze 。
可编程逻辑器件发展历史--第5阶段FPGA 朝着数模混合，异构架构的方向发展，真正成为了“万能芯片”。
在人工智能、云计算、物联网方面都有着极其重要的应用。
《可编程逻辑器件及应用》课程教学大纲
《可编程逻辑器件及应用》课程教学大纲《可编程逻辑器件及应用》理论教学大纲(2003年制订，2004年修订)课程编号:210162英文名:Programmable Logic Device and Applications 课程类别:专业选修课前置课:数字逻辑与逻辑设计、微机原理与接口技术后置课:学分:4学分课时:36课时,其中理论26课时～实验10课时,主讲教师:李耀等指定教材:潘松～黄继业.《EDA技术实用教程》.北京:科学出版社,2002. 课程概述:本课程是面向计算机专业的一门专业选修课。
可编程逻辑器件是近几年来出现的一种新型的，用于集成电路设计的专用器件。
被广泛地应用在航天、通信、医疗、工控等各个领域，特别适合于产品的样品开发与小批量生产。
CPLD,FPGA是目前应用最为广泛的两种可编程专用集成电路。
本课程从现代电子系统设计的角度出发，系统地介绍了CPLD和FPGA逻辑器件的特征、特性及使用，并对这两种逻辑器件的产生、发展、现状及特点进行了简单介绍。
同时，本书还对这两种可编程器件的软件工作语言进行了说明，着重介绍了VHDL硬件描述语言。
此外还介绍了一种逻辑器件的仿真和分析软件MAX+Plus?。
可编程逻辑器件及应用是一门实践性很强的课程。
该课程是计算机专业的一门专业基础课程，该课程以提高学生实际工程设计能力为目的。
通过本课程的学习并完成相关实验，使学生初步了解和掌握EDA的基本内容及实用技术,掌握现代电子系统设计的有关知识和技能，为今后的学习和工作打下基础。
教学目的:1.了解EDA的基本概念、作用、应用范围等相关基础知识。
2.了解EDA系统的开发方法。
3.熟练掌握MAX+PlusII软件的使用方法，包括:环境设置、程序设计、仿真、下载等。
4.熟练掌握硬件描述语言VHDL的编程方法。
5.能够初步进行简单EDA系统的设计与实现。
6.了解当前EDA技术的发展状况;熟悉常见的EDA芯片;掌握EDA芯片选型方法。
可编程逻辑器件的工作原理及其设计课件
PROM编程原理
其后出现了结构复杂一些的可编程逻辑器
件（PLD：Programmable Logic Devices）
可编程阵列逻辑PAL门（Programmable Array Logic）
通用阵列逻辑GAL门（Generic Array Logic）
任何一个组合逻辑都可以表示为乘积项 之和的形式，例如：
3.1.3 FPGA和CPLD之间的差别
实现组合逻辑的方式不同
FPGA
CPLD
内部结构不同
IOB
CLB
PI
IOB
LAB
LAB
IOB
IOB
LAB
PIA
LAB
பைடு நூலகம்
IOB
IOB
LAB
LAB
IOB
FPGA
CPLD
FPGA与CPLD的不同特性
逻辑单元的粒度不一样，设计灵活性不同； FPGA芯片的逻辑门密度比CPLD芯片高； 内部连线结构不同； 时序延迟的特性不同； CPLD更适合于完成各类算法和组合逻辑，而
Cyclone Ⅴ产品简介
Cyclone Ⅴ是Altera 公司提供的高性能、 系统成本最低和功耗最低的28nm工艺的 FPGA；
集成了收发器和硬核存储器控制器； 集成了基于ARM的硬核处理器系统
（HPS：Hard Processor System）； 广泛应用于工业、军事、自动控制、通
信等领域。
非用户定制 IC 集成电路的 设计和制造
用户定制 IC
IC: Integrated Circuit
软件组态标准电路 用户可再构造标准电路
用户半定制 IC 用户全定制 IC
集成电路的分类(按集成度)
数字电路与逻辑设计(第三版)课件：可编程逻辑器件
在 20 世纪 80 年代初,可编程器件和 ASIC 芯片之间存在 较大的集成度和性能的差距。SPLD 器件和 CPLD 器件具有 很高的可编程性,它们的设计和修改时间都很短,但这些器件 的集成度都较低,无法实现更加复杂的功能。与此相反, ASIC 芯片实现了极高的集成度和复杂的功能,但 ASIC 芯片的价格 十分昂贵,其设计与生产周期也很长。 ASIC 芯片一旦在硅片 上实现,就是不可改变的。
可编程逻辑器件
图 6-13 CPLD 器件和 FPGA 器件的体系结构比较
可编程逻辑器件
在集成度不高的设计中, CPLD 器件往往以价格优势取 胜,而在更高集成度的设计中,FPGA 器件则以较低的总体逻 辑开销取胜。
可编程逻辑器件
6. 4. 2 FPGA 器件的特征 典型的 FPGA 器件的特征参数如表 6-2 所示。随着半导
可编程逻辑器件
6. 2. 1 PROM 器件 第一种 SPLD 器件是 PROM 器件。 PROM 器件于 1970
年问世,主要用来存储计算机的程序指令和常数,但设计人员 也利用 PROM 来实现查找表和有限状态机等一些简单的逻 辑功能。实际上,利用 PROM 器件可以方便地实现任意组合 电路,这是通过一个固定的与阵列和一个可编程的或阵列组 合来实现的。一个具有三输入、三输出的未编程 PROM结 构如图 6-4 所示。在该结构中,与阵列固定地生成所有输入 信号的逻辑小项,而或阵列则通过编程,实现任意小项之和。
EDA可编程逻辑器件结构与原理课件
什么是EDA可编程逻辑器件？
EDA可编程逻辑器件，简称PLD（Programmable Logic Device），是一种集成电路，用于实现数字逻 辑函数。它可以根据用户的需求进行编程，灵活地实现各种逻辑电路。
EDA可编程逻辑器件的工作原理
1
编程
使用特定的编程语言编写逻辑功能，
配置
2
并将其加载到可编程逻辑器件中。
将逻辑功能映射到器件的可编程部
分，实现用户定义的逻辑电路。
3
运行
经过配置后的可编程逻辑器件将开 始运行，执行用户定义的逻辑功能。
EDA可编程逻辑器件的应用领域
1 数字电路设计
2 嵌入式系统开发
可编程逻辑器件广泛应用于数字电路设 计，如ASIC开发、FPGA设计等。
可编程逻辑器件可用于开发嵌入式系统， 如处理器控制、通信接口等。
3 自动化控制
4 通信设备
可编程逻辑器件可用于控制系统的设计 和实现，如工业自动化、机器人控制等。
可编程逻辑器件被广泛应用于通信设备， 如路由器、交换机、光纤通信等。
局限
资源占用：逻辑功能复杂时，可能需要较 大的器件。
EDA可编程逻辑器件的发展趋势
更高集成度
未来可编程逻辑器件将不断 提高集成度，实现更多功能 在同一器件上。
人工智能与自动化
可编程逻辑器件将与人工智 能和自动化技术相结合，实 现更智能化的应用。
量子计算
可编程逻辑器件可能在量子 计算领域发挥重要作用，推 动计算机技术的发展。
EDA可编程逻辑器件的结构和组成
第3章-可编程逻辑器件工艺和结构(第2讲)
可编程逻辑器件工艺
--熔丝连接技术（PROM）
在这种技术的器件中，所有辑的连接都是靠熔丝连接的。 熔丝器件是一次可编程的，一旦编程，永久不能改变。
思考题：这种工艺的优势和劣势？
可编程逻辑器件工艺
--反熔丝连接技术
反熔丝技术和熔丝技术相反，在未编程时，未编程时，成高阻
状态。编程结束后，形成连接。反熔丝器件是一次可编程的，一
（1）可以读出信息，但是不能写入信息。 （2）这种技术实现代价比较高，在实际中很少使用。
可编程逻辑器件工艺
--掩膜工艺（ROM）
A0~An-1
W0
W(2n-1)
∙ ∙ ∙ ∙
D D D D
可编程逻辑器件工艺
--PROM工艺（熔丝连接）
PROM是非易失性的，系统断电后，信息被保留在存储单元中。 PROM单元保存了行和列数据，形成一个阵列，每一列有负载电 阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体管和一个掩膜 连接。特点：
可编程逻辑器件工艺
--SRAM工艺
M2
M5
Q
M1
WL VDD
BL
M4 Q M6
M3
BL
读/写控制 数据IO
配置控 制
可编程逻辑器件工艺
--掩膜工艺（ROM）
ROM是非易失性的器件。系统断电后，信息被保留在存储单 元中。ROM单元保存了行和列数据，形成一个阵列，每一列有负 载电阻使其保持逻辑1，每个行列的交叉有一个关联晶体管和一个 掩膜连接。其特点：
旦编程，永久不能改变。（注：优势和劣势和前面一样）
可编程逻辑器件工艺 --SRAM工艺
基于静态存储器SRAM的可编程器件，值被保存在SRAM的晶 体管中。只要供电，器件信息就不会丢失。特点：
可编程逻辑器件概述
第1章 可编程逻辑器件概述
全球EDA厂商有近百家之多， 大体可分两类： 一 类是EDA专业软件公司， 较著名的有Mentor Graphics、 Cadence Design Systems、 Synopsys、 Viewlogic Systems和Protel等； 另一类是半导体器件厂商， 为了 销售他们的产品而开发EDA工具， 较著名的公司有 Altera、 Xilinx、 AMD、 TI和Lattice等。 EDA专业软 件公司独立于半导体器件厂商， 推出的EDA系统具有 较好的标准化和兼容性， 也比较注意追求技术上的先 进性， 适合于搞学术性基础研究的单位使用。
第1章 可编程逻辑器件概述
(2) 采用硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）来描述10万门以上的设计，并形成了VHDL （Very High Speed Integrated Circuit HDL）和Verilog HDL两种标准硬件描述语言。 它们均支持不同层次的 描述， 使得复杂IC的描述规范化， 便于传递、 交流、 保存与修改， 也便于重复使用。 它们多应用于 FPGA/CPLD/EPLD的设计中。 大多数EDA软件都兼容 这两种标准。
第1章 可编程逻辑器件概述
ASIC（Application Specific Integrated Circuit）的设 计与制造， 已不再完全由半导体厂商独立承担， 系统 设计师在实验室里就可以设计出合适的ASIC芯片， 并 且立即投入实际应用之中， 这都得益于可编程逻辑器 件PLD（Programmable Logic Device）的出现。 现在应 用最广泛的PLD主要是现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）、 复杂可编程逻辑器件 CPLD（Complex Programmable Logic Device）和可擦 除可编程逻辑器件EPLD（Erasable Programmable Logic Device）。
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可编程逻辑器件工艺及结构
可编程逻辑器件内部结构
-PROM
O 0
I 3I 2I 1I 0O 1O 2O 3固定的与阵列
可编程或阵列
可编程逻辑器件内部结构
-PAL
可编程与阵列
固定的或阵列
-PLA
可编程与阵列
可编程或阵列
--CPLD
CPLD 由完全可编程的与/或阵列以及宏单元库构成。
与/或阵列是可重新编程的，可以实现多种逻辑功能。
宏单元可实现组合或时序逻辑的功能模块，同时还提供了真值或补码输出和以不同的路径反馈等额外的灵活性。
可编程逻辑器件内部结构
--CPLD
XC9500 CPLD 内部结构
CPLD 芯片内部结构
--功能块
FB 内部使用积之和表示式（SOP ）描述
CPLD 芯片内部结构
--功能块
可编程与阵列
36个输入提供了72个真和互补信号，连接到可编程的“与”阵列，可以生成生成90个乘积项。
乘积项分配器
最多可用的90个乘积项可以通过乘积项分配器分配到一个每个宏单元。
宏单元
CPLD 芯片内部结构
--宏单元
组合逻辑触发器资源
全局设置/复位全局时钟
乘积项时钟
乘积项复位
乘积项OE
至I/O 块
到快速连接矩阵
额外的乘积项，来自其它宏额外的乘积项，来自其它宏
乘积项设置乘积项分配器
CPLD 芯片内部结构--快速连接矩阵快速连接矩阵功能块
功能块
I/O 块
I/O 块
线与
CPLD 芯片内部结构--IO 逻辑到快速连接矩阵
到其他宏单元上拉电阻用户可编程地
抖动率控制
I/O 块全局OE 1
全局OE 2全局OE 3
全局OE 4乘积项OE
宏单元
CPLD 芯片内部结构--IO 块。