第2章可编程逻辑器件和IP核
EDA学习资料
Power point
MAX7128S内部结构图
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P I A
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I/O控制模块
Power point
Altera公司MAX系列CPLD简介
（1）逻辑阵列块LAB(Logic Array Block) 可编程逻辑阵列由若干个可编程逻辑宏单元（Logic Macro Cell，LMC）组成， LMC内部主要包括与阵列、或 阵列、可编程触发器和多路选择器等电路，能独立地配置 为时序或组合工作方式。 MAX7000系列包含了32～256个宏单元。
适配器也称结构综合器，它的功能是将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器件中， 使之产生最终的下载文件，如JEDEC、Jam格式的文件。适配所选定的目标器件 (FPGA/CPLD 芯片)必须属于原综合器指定的目标器件系列，即需有FPGA/CPLD供应商自己提供。
如果编译、综合、布线适配和仿真等都没有发现问题，可以输出各种编程文件，通过 编程器以及下载电缆对将文件载入目标芯片（FPGA/CPLD）
• 与CPLD相比， FPGA具有更高的集成度、更强的逻辑功 能和更大的灵活性。 • FPGA器件基本结构 – 一般由3个可编程逻辑模块阵列组成： • 可配置逻辑模块（CLB，Configurable Logic Block） • 输入/输出模块（IOB，Input/Output Block） • 可编程互连线PI（Programmable Interconnect）， 或 叫 互 连 资 源 （ ICR ， Interconnect Capital Resource） • FPGA器件内还有一可配置的SRAM，其加电后存储的数 据决定器件的具体逻辑功能。
可编程逻辑器件(PLD)
PLD开发工具提供了完整的解决方案，包括设计输入、综合、布局布线、仿真和调试等功能。这些工 具支持多种PLD器件和编程语言，使得设计师能够高效地实现数字电路设计和PLD编程。
05
PLD的未来发展与挑战
PLD的未来发展趋势
更高的集成度
随着半导体工艺的进步，PLD将实现更高的集成度，具备更强大 的计算和数据处理能力。
现代阶段
随着技术不断发展，PLD 的集成度更高，功能更强 大，应用领域更广泛。
PLD的应用领域
通信领域
用于实现通信协议的转换、信号处理和调制 解调等功能。
工业控制
用于实现自动化控制、电机驱动和传感器数 据处理等功能。
数字信号处理（DSP）
用于实现图像处理、语音识别和数字信号处 理算法。
计算机硬件设计
安全与可靠性问题
随着PLD在关键领域的应用增加， 安全和可靠性问题成为关注的焦 点，需要加强安全机制和可靠性 设计。
知识产权保护
随着PLD技术的不断进步和应用 领域的拓展，知识产权保护成为 重要问题，需要加强知识产权保 护措施。
PLD的发展前景与展望
拓展应用领域
随着PLD技术的不断成 熟，其应用领域将进一 步拓展，尤其是在人工 智能、物联网、5G等领 域。
布线策略
选择合适的布线策略，确 保信号传输的可靠性和效 率。
物理验证
检查布局和布线后的设计 是否满足时序和功耗要求。
配置与下载
生成配置文件
根据设计结果，生成用于配置PLD的二进制 文件。
下载与配置
将配置文件下载到PLD中，完成硬件电路的 配置。
测试与验证
在实际硬件环境中测试设计的正确性和性能。
04
复杂可编程逻辑器件(CPLD)
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。
2023年大学_EDA技术与VHDL第二版(潘松著)课后习题答案下载
2023年EDA技术与VHDL第二版（潘松著）课后习题答案下载EDA技术与VHDL第二版（潘松著）课后答案下载第1章 EDA技术概述1.1 EDA技术及其发展1.1.1 EDA技术的发展1.1.2 EDA技术的涵义1.1.3 EDA技术的基本特征1.2 EDA技术的主要内容及主要的EDA厂商1.2.1 EDA技术的主要内容1.2.2 主要EDA厂商概述1.3 EDA技术实现目标1.3.1 超大规模可编程逻辑器件1.3.2 半定制或全定制ASIC1.3.3 混合ASIC1.4 EDA技术应用1.4.1 EDA技术应用形式1.4.2 EDA技术应用场合1.5 EDA技术的发展趋势1.5.1 可编程器件的发展趋势1.5.2 软件开发工具的发展趋势1.5.3 输入方式的发展趋势__小结思考题和习题第2章大规模可编程逻辑器件2.1 可编程逻辑器件概述2.1.1 PLD的'发展进程2.1.2 PLD的种类及分类方法2.2 简单可编程逻辑器件2.2.1 PLD电路的表示方法及有关符号 2.2.2 PROM基本结构2.2.3 PLA基本结构2.2.4 PAL基本结构2.2.5 GAL基本结构2.3 复杂可编程逻辑器件2.3.1 CPLD基本结构2.3.2 Altera公司器件2.4 现场可编程逻辑器件2.4.1 FPGA整体结构2.4.2 Xilinx公司FPGA器件2.5 在系统可编程逻辑器件2.5.1 ispLSl/pLSl的结构2.5.2 Lattice公司ispLSI系列器件 2.6 FPGA和CPLD的开发应用2.6.1 CPLD和FPGA的编程与配置2.6.2 FPGA和CPLD的性能比较2.6.3 FPGA和CPLD的应用选择__小结思考题和习题第3章 EDA设计流程与开发3.1 EDA设计流程3.1.1 设计输入3.1.2 综合3.1.3 适配3.1.4 时序仿真与功能仿真3.1.5 编程下载3.1.6 硬件测试3.2 ASIC及其设计流程3.2.1 ASIC设计方法3.2.2 一般的ASIC设计流程3.3 可编程逻辑器件的开发环境 3.4 硬件描述语言3.5 IP核__小结思考题和习题第4章硬件描述语言VHDL4.1 VHDL概述4.1.1 VHDL的发展历程4.1.2 VHDL的特点4.2 VHDL程序基本结构4.2.1 实体4.2.2 结构体4.2.3 库4.2.4 程序包4.2.5 配置4.3 VHDL基本要素4.3.1 文字规则4.3.2 数据对象4.3.3 数据类型4.3.4 运算操作符4.3.5 VHDL结构体描述方式 4.4 VHDL顺序语句4.4.1 赋值语句4.4.2 IF语句4.4.3 等待和断言语句4.4.4 cASE语句4.4.5 LOOP语句4.4.6 RETIARN语句4.4.7 过程调用语句4.4.8 REPORT语句4.5 VHDL并行语句4.5.1 进程语句4.5.2 块语句4.5.3 并行信号代人语句4.5.4 并行过程调用语句4.5.5 并行断言语句4.5.6 参数传递语句4.5.7 元件例化语句__小结思考题和习题第5章 QuartusⅡ软件及其应用5.1 基本设计流程5.1.1 建立工作库文件夹和编辑设计文件 5.1.2 创建工程5.1.3 编译前设计5.1.4 全程编译5.1.5 时序仿真5.1.6 应用RTL电路图观察器5.2 引脚设置和下载5.2.1 引脚锁定5.2.2 配置文件下载5.2.3 AS模式编程配置器件5.2.4 JTAG间接模式编程配置器件5.2.5 USBBlaster编程配置器件使用方法 __小结思考题和习题第6章 VHDL应用实例6.1 组合逻辑电路设计6.1.1 基本门电路设计6.1.2 译码器设计6.1.3 数据选择器设计6.1.4 三态门设计6.1.5 编码器设计6.1.6 数值比较器设计6.2 时序逻辑电路设计6.2.1 时钟信号和复位信号6.2.2 触发器设计6.2.3 寄存器和移位寄存器设计6.2.4 计数器设计6.2.5 存储器设计6.3 综合实例——数字秒表的设计__小结思考题和习题第7章状态机设计7.1 一般有限状态机7.1.1 数据类型定义语句7.1.2 为什么要使用状态机 7.1.3 一般有限状态机的设计 7.2 Moore型有限状态机设计 7.2.1 多进程有限状态机7.2.2 单进程有限状态机7.3 Mealy型有限状态机7.4 状态编码7.4.1 状态位直接输出型编码 7.4.2 顺序编码7.4.3 一位热码编码7.5 状态机处理__小结思考题和习题第8章 EDlA实验开发系统8.1 GW48型实验开发系统原理与应用8.1.1 系统性能及使用注意事项8.1.2 GW48系统主板结构与使用方法8.2 实验电路结构图8.2.1 实验电路信号资源符号图说明8.2.2 各实验电路结构图特点与适用范围简述8.3 GW48CK/GK/EK/PK2系统信号名与芯片引脚对照表 __小结思考题和习题第9章 EnA技术实验实验一：全加器的设计实验二：4位加减法器的设计实验三：基本D触发器的设计实验四：同步清零计数器的设计实验五：基本移位寄存器的设计串人/串出移位寄存器实验六：同步预置数串行输出移位寄存器的设计实验七：半整数分频器的设计实验八：音乐发生器的设计实验九：交通灯控制器的设计实验十：数字时钟的设计EDA技术与VHDL第二版（潘松著）：内容简介《EDA技术与VHDL》主要内容有Altera公司可编程器件及器件的选用、QuartusⅡ开发工具的使用;VHDL硬件描述语言及丰富的数字电路和电子数字系统EDA设计实例。
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
可编程逻辑器件及其应用
下图给出最简单的PROM电路图，右图是左图的简化形式。 编程连接点
固定连接点 （或） （与）
实现的函数为：
F 1A•BA•BF 2A•BA•BF3 A•B
三、PLD的分类
五、用PLD实现逻辑电路的方法与过程
用可编程逻辑器件设计电路需要相应的开发软件平台 和编程器，可编程逻辑器件开发软件和相应的编程器多种 多样。
特别是一些较高级的软件平台，一个系统除了方案设 计和输入电路外，其它功能都可用编程软件自动完成。
可编程逻辑器件设计电路过程如下图所示。
电
设
优
选
器时
路方
计
化
择
隧道 80цm
面积大
（三）闪速型（Flash）存储单元
闪速存储单元又称为快擦快写 存储单元，右图是闪速存储单元剖 面图。
闪速存储单元去掉了隧道型存 储单元的选择管，它不像E2PROM 那样一次只能擦除一个字，而是可 以用一个信号，在几毫秒内擦除一 大区段。
因此，闪速存储单元比隧道型存储单元的芯片结构更简 单、更有效，使用闪速存储单元制成的PLD器件密度更高。
可编程逻辑器件及其 应用
焊点多，可靠性下降；
传统的逻辑系统:当规模增大时
系统规模增加，成本升高； 功耗增加；
连接线与点增占多用空间扩大。
抗干扰下降
系统放在一个芯片内 厂商专直用接集做成出电。路（简称ASIC）
如：表芯
用户定制
ASIC
全定制厂（商F做ull出C半us成tom品Design IC）
集成电路
（一）叠栅型（SIMOS）存储单元
[工学]第2章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件
![[工学]第2章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件](https://img.taocdn.com/s3/m/8a1e0bf426fff705cc170a64.png)
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。
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
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
FPGA现代数字系统设计基于ilinx可编程逻辑器件与Vivado平台
目录分析
目录分析
《FPGA现代数字系统设计基于ilinx可编程逻辑器件与Vivado平台》是一本 深入浅出地介绍FPGA（现场可编程门阵列）设计和实现的书籍。作为一本专注于 Xilinx可编程逻辑器件和Vivado平台的书籍，其目录结构也反映了这一核心内容。 以下是该书的目录分析：
目录分析
这部分内容主要介绍了FPGA的基本概念、发展历程以及在数字系统设计中的 应用。还简要介绍了Xilinx公司及其产品，为后续深入学习打下基础。
精彩摘录
“在FPGA设计中，测试和验证是不可或缺的一环。通过充分的测试，我们可 以确保设计的正确性和可靠性。”
精彩摘录
“随着技术的不断发展，FPGA设计也在不断演进。未来，FPGA将在人工智能、 物联网、云计算等领域发挥更加重要的作用。因此，学习和掌握FPGA设计对于数 字系统设计师来说具有重要意义。”
目录分析
在这一部分，作者进一步探讨了高级的FPGA设计技术，包括高层次综合、者在实现复杂数 字系统的同时，优化设计性能和功耗。
目录分析
最后一部分内容以实际案例分析结束，包括几个具有代表性的FPGA设计项目。 通过这些案例的分析，读者可以更好地理解前面所学知识在实际项目中的应用。
目录分析
这一章详细介绍了Vivado设计套件，包括其功能、界面、以及在FPGA设计中 的重要性。通过这一章，读者可以了解如何使用Vivado进行FPGA设计的整个流程。
目录分析
在这一部分，作者深入探讨了数字系统设计的基础知识，包括逻辑门、触发 器、寄存器、以及基本的组合和时序逻辑电路。这些知识为后续的FPGA设计提供 了理论支持。
目录分析
这一章详细介绍了使用Vivado进行FPGA设计的整个流程，包括设计输入、综 合、实现以及生成比特流等步骤。还介绍了如何进行时序分析以及优化设计。
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。
IP核
2008年6月19日
OCP协议的设计目标
开放式内核协议（OCP）是一个有效的、简练 的、内核连接标准，用于单集成电路芯片上两 个半导体内核的互连，使得内核之间在综合和 制造后都能可靠的通信。 OCP定义了在一系列片上内核接口上的信号交 换协议，OCP支持多种不同配置的体系结构， 所以它是一个接口系列的协议。
13
IP核接口应按照标准进行设计
IP标准化的基本理念
为使不同来源的IP核可以在SOC中进行有效的 集成，做到即插即用。 IP核的接口应按照统一 的标准进行设计。 IP核的接口层次(Interface Layer)是一种抽象的 层次，一个接口层次就是一个转换包，它能够 把接口的一个抽象层次转入下一个更加详细的 层次。
5
IP核的五个基本特征：
第三方使用； 按照复用原则设计； 可读性强； 完备的可测性； 端口定义标准化。
6
系统芯片（SoC）
也称为片上系统
SoC，System on chip，或者 System on a chip。 基本定义是：以知识产权核为设计基础，在单个芯 片上集成处理器、存储器、各种接口等部件，组成 一个部分完整的计算机系统，可以完成特定的应用 功能。 系统芯片是单功能集成电路芯片的跨越式发展。 目前，大多数32位的嵌入式处理器芯片都是SoC。
7
系统芯片的主要优点
丰富的系统功能； 客户定制； 提高速度； 降低功耗； 减少体积。
8
系统芯片与IP核
系统芯片逐渐成为集成电路设计的主流发展趋势。 统计数据也说明了IP核的重要性，2005年全球80%的 SoC都采用以IP核为主的方式进行设计。 现阶段IC设计能力和EDA工具能力远落后于SoC设计 工艺的需要，两者间的差距日益加剧，成为制约SoC 制造和发展的瓶颈。 IP（核）重用显得十分重要，它可以减少研发成本， 缩短研发时间，加速SoC上市。
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。
第二章 PLD技术
2．可编程逻辑器件的分类
（3）按编程方法分类
PLD
熔丝 或 反熔丝 编程
掩膜
浮栅
编程
编程
静态 存储器 编程
ROM PROM
PAL
FPGA
GAL
EPLD CPLD FPGA
3. PLD的发展历程
• PROM、EPROM、EEPROM
只能完成简单的数字逻辑功能
• PAL、GAL、PLA
PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能(规模较小)
MAX7123的结构
LAB LAB LAB LAB
LAB
LAB
LAB
LAB
P I A
LAB
LAB
LAB
LAB
LAB
LAB
LAB
LAB
I/O控制模块
1．可编程逻辑阵列 （LAB）
可编程逻辑阵列又若干个可编程逻辑宏单元 （Logic Macro Cell，LMC）组成， LMC内部主 要包括与阵列、或阵列、可编程触发器和多路选 择器等电路，能独立地配置为时序或组合工作方 式。
宏单元结构图
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
CPLD中与、或门的表示方法
A
B C D P(乘积项 )
A
B C D F（或项）
A C D
P=A· C· D
A B D
F=A+B+D
（1）乘积项共享结构 在CPLD的宏单元中，如果输出表达式的与项 较多，对应的或门输入端不够用时，可以借助可 编程开关将同一单元（或其他单元）中的其他或 门与之联合起来使用，或者在每个宏单元中提供
早期可编程器件的每个输出宏单元（OLMC） 只有一个触发器，而CPLD的宏单元内通常含两个或 两个以上的触发器，其中只有一个触发器与输出端 相连，其余触发器的输出不与输出端相连，但可以 通过相应的缓冲电路反馈到与阵列，从而与其他触 发器一起构成较复杂的时序电路。这些不与输出端 相连的内部触发器就称为“隐埋”触发器。这种结 构可以不增加引脚数目，而增加其内部资源。
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2013-6-28
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
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
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
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
VHDL
VHDL的英文全称为：Very High-Speed Hardware Descreption Language。它是1985年 在美国国防部支持下推出的。1987年由IEEE （电气电子工程师协会，Institute of Electrical and Electronics Engineers）将VHDL制定为标 准。参考手册为IEEE VHDL语言参考手册标准 草案1076/B版，于1987年批准，称为IEEE 1076-1987。 1993年和1997年IEEE又对VHDL 标准进行了修订。
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
处理器芯片的版图照片之三
Intel公司的 Itanium2处理 器 代号Madison
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
多个裸晶可以封装在一个芯片内
双CPU核的芯片结构
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
2.2 电子设计自动化
电子设计自动化
武汉工程大学计算机学院
2013-6-28
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。
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
可配置 逻辑块 CLBs
可配置 逻辑块 CLBs
连线资源
延时 锁定环
2013-6-28 武汉工程大学计算机学院
延时 锁定环
主流CPLD/FPGA开发工具
流行的CPLD/FPGA开发工具主要来自PLD生产商。 例如：Xilinx公司的Foundation；Altera公司的 Quartus ；Lattice公司的ISP Synario；此外还包括 第三方公司提供的EDA软件。 这些工具都属于集成开发环境，集成了编译、仿 真、测试、下载等工具。 下面简单介绍三个开发工具：MAX+PLUS II、 Quartus II和Synplify Pro。
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
典型CPLD结构图 （Altera公司MAX7000系列）
I/O块
逻辑阵 列块 逻辑阵 列块 逻辑阵 列块 逻辑阵 列块
逻辑阵列块 （LAB）
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
C P L D
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
逻辑阵 列块
连线 资源
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
芯片级
寄存器级 数据流图、状态机、 ALU、MUX、寄存器、 宏单元 （RTL） 状态转移表。 BUS、微定序器、 微存储器等。
逻辑级（门 级） 电路级
2013-6-28
布尔方程、卡诺图、 门电路、触发器、锁存 Z变换 器等元件构成的电 路。 电流、电压的微分 方程 晶体管、电阻、电容、 电感等
武汉工程大学计算机学院
第2章 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
武汉工程大学计算机学院
2013-6-28
2.1 集成电路制造流程简介
适配与验证 版图文件 测试报告 硬件测试
A S IC 实 现
F P G A /C P L D 实 现
形成软核
形成固核
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
自顶向下法的ASIC设计方法
第1步 概念设计 第2步 系统架构设计与软硬件划分 第3步 行为级描述 第4步 构建模块与接口 第5步 功能仿真 第6步 逻辑综合与优化 第7步 布局布线设计 第8步 时序仿真 第9步 适配和验证 第10步 硬件测试
2013-6-28
与阵列 可编程 或阵列 固定
与或阵列 均可编程
武汉工程大学计算机学院
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
武汉工程大学计算机学院
查找表实现 地址 0000 0001 。。。 。。。 1111 RAM值 0 0 0 。 1
集成电路厂所生产的产品实际上包括两大部分：晶圆 切片（die, 也简称为晶圆）和超大规模集成电路芯片 （chip, 可简称为芯片）。 晶圆切片是一片像镜子一样的光滑圆形薄片，是供其 后芯片生产工序深加工的原材料。 一个晶圆上可以印刷多个裸晶的电路版图 芯片制造完毕后从一个晶圆上切割出许多裸晶 对单个裸晶进行测试得到质量合格的成品裸晶 将裸晶进行封装就得到芯片 芯片经过严格的测试就获得了成品芯片
布线结构与逻辑实现
程序信息易失性
复杂度低
系统断电时不丢失
复杂度高
系统断电时丢失
保密性
使用方便性 功耗 集成度
2013-6-28
好
高 相对低 低
武汉工程大学计算机学院
差
低 相对高 高
CPLD/FPGA的结构特点
它们都由三大部分组成：
①可编程的二维逻辑阵列块，构成了PLD器件的逻 辑组成核心； ②可编程的输入/输出块； ③可编程的连接逻辑块的互连资源，连线资源由各 种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连 接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输 出块之间的连接。
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。
2013-6-28
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
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。
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
EDA目标
利用EDA技术进行电子系统设计，最后实现的 目标电路有3种类型。
①全定制或半定制专用集成电路
ASIC：Application Specific Integrated Circuits
②FPGA/CPLD（或称可编程ASIC）开发应用 ③印制电路板
标准单元布图
晶体管布图
概念设计
系统架构设计与软硬件划分 图形方式 V H D L语 言 源代码 行 为 级 描 述 （ RTL级 设 计 ）
代码文件
构建模块与接口
ASIC 设计 流程
报告文件 报告文件 网表文件 门级网络表
功能仿真（前仿真）
逻辑综合与优化
布局布线设计
波形文件 器件编程文件
时序仿真（后仿真）
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。
PCB，Printed Circuit Board
2013-6-28
武汉工程大学计算机学院
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