微机应用新技术

CPLD/FPGA的编程工艺
基于熔丝和反熔丝编程单元 基于电可擦除存储单元的EEPROM或FLASH技术 基于SRAM查找表的编程单元
现场可编程门阵列FPGA的特点
SRAM结构：可以无限次编程，但它属于易失性元件，掉电后 芯片内信息丢失。通电之后，要为FPGA重新配置逻辑
内部连线结构：CPLD的信号通路固定，系统速度可以预测。 而FPGA的内连线是分布在CLB周围，而且编程的种类和编程 点很多，布线相当灵活。
FPGA的结构与门阵列PLD不同，它内部由许多独立的可 编程逻辑模块CLB组成，逻辑块之间可以灵活的相互连接。 CLB的功能很强，不仅能实现逻辑函数，还可以配置成 RAM等复杂的形式。 基于SRAM的FPGA工作前需要从芯片外部加载配置数据， 配置数据可以存放在片外的EPROM上或计算机上，我们可 以在现场控制加载过程，修改器件的逻辑功能，即所谓现 场可编程。
手工设计的缺点
1. 复杂的电路的设计和调试困难。 2. 查找和修改错误十分不便。 3. 设计过程中产生大量的文档，不易管理。 4. 集成电路的设计和实现与具体的生产工艺相关，因此可
移植性较差。
EDA技术与传统电子设计方法的比较—续
EDA技术的特点
• 采用硬件描述语言作为设计输入 • 强大的系统建模、电路仿真功能 • 适应于高效率大规模系统设计的自顶向下设计方案 • 开发技术的标准化、规范化以及IP核的可利用性 • 对设计者硬件知识和硬件经验要求低 • ASIC的设计制造在实验室内就可以完成
2.有更多的触发器,可以构造许多的寄存器和计数器; 3.可以集成多个PAL; 4.减少印刷板面积,降低系统成本;降低功耗; 5. 系统有较少的元件在印刷板上,可靠性增加; 6. 可重复编程性,PAL只能一次编程,FPGA/CPLD多次编程; 7.加密能力增加。
FPGA与CPLD的比较
CPLD在单片芯片上集成了成千上万个等效门，主要由可 编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和器件内部的可编程连 线构成
手工设计的方法
1. 将数字系统的功能要求划分成许多模块。 2. 对每一个模块画出真值表。 3. 用卡诺图进行手工逻辑化简，写出布尔代数的表达式。 4. 画出相应的逻辑线路图。 5. 选择元器件，设计电路板自下向上设计方案。 6. 进行实测和调试。
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EDA技术与传统电子设计方法的比较—续
芯片逻辑利用率：由于FPGA的CLB规模小，可分为两个独立 的电路，又有丰富的连线，其逻辑利用率很高。
芯片功耗：FPGA芯片功耗0.25mW～5mW之间，静态时几乎 没有功耗，所以称FPGA为零功耗器件。
CPLD和FPGA与TTL电路的比较
1. CPLD/FPGA相当于20到500以上个TTL电路集成到一个器 件内,有较高的密度;
CPLD(Complex PLD):复杂可编程逻辑器件
CPLD和简单的PLD相比，允许有更多的输入信号，更多的 乘积项和宏单元，CPLD器件内部含有多个逻辑单元块，每 个逻辑块就相当于一个 GAL器件，这些逻辑块之间可以用 可编程内部连线实现相互连接。
可编程逻辑器件按结构的分类
2、FPGA（现场可编程门阵列）
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EDA技术的发展趋势
微电子和计算机领域的原理创新、技术创 新、应用创新层出不穷，极大地推动了科学 技术的发展，深刻地改变着人们对自然界的 认识和人们的生活。
在该领域中，嵌入式系统，SOC、SOPC、 IP核等新概念、新技术异军突起，其应用范围 迅速深入到制造业，通信控制、仪器仪表、 生物、汽车、船舶、航空航天以及消费类等 方面。
Nios®嵌入式处理器支持 嵌入式18x18数字信号处理(DSP)乘法器 中等容量的片内存储器 中等速度的I/O和存储器接口 广泛的IP核支持
4. Altera公司的FPGA和CPLD器件系列（续）
Cyclone
第 一 代 低 密 度 、 低 成 Nios嵌入式处理器支持 本Cyclone FPGA系列 中等容量的片内存储器
EDA的概 念
EDA技术以计算机为工具，代替人完成对数字 系统的逻辑综合、布局步线和设计仿真工作。 设计人员只需要完成对系统功能的描述，在 EDA软件平台上，用图形输入、硬件描述语言 HDL为系统逻辑描述手段，所形成的设计文件 自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合及优 化、逻辑仿真，支持对特定目标芯片的适配编 译、逻辑映射和编程下载等工作。
对用户而言，CPLD、FPGA的内部结构略有不同，但用法是 相同的，所以，多数情况下不加以区分。
CPLD的基本结构
CPLD和简单的PLD相 比，允许有更多的输 入信号，更多的乘积 项和宏单元，CPLD器 件内部含有多个逻辑 单元块，每个逻辑块 就相当于一个 GAL器 件，这些逻辑块之间 可以用可编程内部连 线实现相互连接。
价格便宜，适用于一般数字系统设计，例如网 卡、控制器、高速编程器、游戏机和测试仪器 仪表
速度最高可达300MHz，适合于速度要求高或 需要I/O引脚较多的系统，例如移动电话、高 速路由器、和高速PCM遥测系统。
适用于具有32位或64位总线的系统，例如快速 计数器、状态机和地址译码器
ispLSI8000/ 可达58000门 该系列器件能满足复杂数字系统的设计，可用
设计输入可以使用硬件描述语言 (HDL)，采 用“自顶向下”的设计方法 ，为设计者提供 了一个高效、便捷的设计环境 ，同时也为充 分发挥设计人员的创造性提供了条件。
EDA技术被广泛的应用于数字系统的设计
可编程逻辑器件按结构的分类
1、PLD（Programmabe Logic Device)
其基本逻辑结构为与或阵列 包括有低密度PLD(PROM,PLA,PAL,GAL也叫简单的PLD）以及 EPLD和CPLD
4. Altera公司的新型FPGA和CPLD器件系列
Altera公司在MAX、Stratix 、Cyclone系列的基础上又开发了
MAXII、StratixII及CycloneII
器件
总体说明
独特性能
MAXII
最 低 的 成 本 、 单 芯 片 、最低的CPLD成本和功耗。
易用的CPLD系列
最高的CPLD密度和性能Highest CPLD
从低到中等速度的I/O和存储器接口 广泛的IP核支持
StratixII 低成本FPGA系列，用 于较低密度
Stratix 通用高性能FPGA系列
Nios嵌入式处理器支持 最多的DSP块 大容量片内存储器 高速I/O和存储器接 源同步信号1-Gbps 动态相位队列（DPA） 广泛的IP核支持
Nios嵌入式处理器支持 DSP块 大容量片内存储器 高速I/O及存储器接口 广泛的IP核支持
上电即用性，非易失性
用户Flash存储器
1.8-V, 2.5-V & 3.3-V电源电压
MAX
低成本CPLD，用于较 从低密度到中等密度
低复杂度的低密度设 上电即用性，非易失性
计
5-V I/O支持
确定的时序
2.5-V、3.3-V 或5.0-V 电源电压
CycloneII
第二代低成本Cyclone FPGA 系 列 用 于 那 些 考 虑成本多于性能或其 他功能的设计。
FPGA由可编程逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输 入输出模块IOB(Input /Output Block)、可编程连线资源构成。
IOB IOB IOB IOB IOB
IOB CLB
IOB IOB CLB
IOB CLB
CLB
CLB
CLB
CLB
布线区
CLB
CLB
IOB
FPGA不受“与－或”阵列结构和含有触发器、I/O端数量的 限制，依靠内部的逻辑单元以及它们的连接构成任何复杂的 逻辑电路，更适合实现多级的逻辑功能，并具有更高的密度 和更大的灵活性。 它们具有掩膜编程逻辑门阵列的通用结构，由逻辑功能块排 列为阵列，并由可编程的互连资源连接这些逻辑功能块，以 实现不同的逻辑设计。
在单片芯片上集成了成 千上万个等效门，因此 在单片CPLD芯片上能 集成数字电路系统
CPLD的结构框图
逻辑块
I/O
逻辑块 逻辑块 逻辑块
器
件
逻辑块
内
部 的
I/O
逻辑块
可
编
逻辑块
程
连
线
逻辑块
区
CPLD内部逻辑块的结构
FPGA的基本结构
不像PLD那样受结构的限制， 它可以靠门与门的连接来实 现任何复杂的逻辑电路，更 适合实现多级逻辑功能。
EDA的概 念
EDA（Electronic Design Automation ）即 电子设计自动化,是以计算机和微电子技术为先 导，汇集了计算机图形学、拓扑、逻辑学、微 电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机技 术应用学科最新成果，应用于电子设计过程而 形成的一门新技术。
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3. Altera公司FPGA和CPLD器件系列
Altera公司的PLD具有高性能、高集成度和高性 价比的特点，此外它还提供了全面的开发工具 和丰富的IP核及宏功能库，所以多年来一直占 据行业领先地位。 Altera公司的产品按先后顺序依次为Classic系 列、MAX系列、FLEX系列、APEX系列ACEX系列、 Cyclone系列以及Stratix
使用EDA技术的优势
利用电路的计算机辅助分析软件，采用硬件 描述语言或原理图等输入方法对可编程逻辑器 件进行软件仿真和硬件编辑。 缩短产品开发周期、降低成本, 且能最大限 度地将设计资源应用到产品设计的各个环节, 保证产品在性能、可靠性上适合工业化生产的 各个方面 。
使用EDA技术的优势
利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬 件功能的实现。
CLB
CLB
CLB
IOB
IOB IOB IOB IOB IOB
IOB IOB
IOB CLB
可编I程OB逻辑模块是实现各 CLB 包种括逻组I辑O合B功逻能辑的、基时本序单逻元辑，、
RAM以及各种运算功能。
CLB IOB
IOB CLB
IOB
IOB IOB
FPGA的可编程逻辑功能块
前面介绍的PLD都是基于乘积项的可编程结构，即可编 程的与阵列和固定的或项组成，而FPGA的结构按可编程 逻辑功能块的不同主要有三种类型：查找表结构、多路 开关结构、多级与非门结构。大部分的 FPGA都采用 SRAM的查找表逻辑形成结构。
EDA技术的发展历程
20世纪70年代 MOS工艺的可编程逻辑器件问世
20世纪80年代 CMOS工艺的复杂可编程逻辑器件应用
80年代末 20世纪90年代
FPGA，CAE和CAD技术广泛应用
超大规模可编程逻辑器件面世 EDA技术逐步成熟
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EDA技术与传统电子设计方法的比较
第二部分
EDA技术与可编程逻辑器件 -----(CPLD/FPGA,VHDL)
需要掌握
开发环境Quartus || 的使用。 在FPGA/CPLD上构建时序逻辑。 在FPGA/CPLD上建立Nios系统。 完成下列作业：
1、通过实验“串口逻辑”，增加功能。 2、通过实验“Nios ||”，增加功能。
2. 设计者以自己的方法设计所需的逻辑系统, 增加了灵活性; 3. 可以方便地通过计算机软件平台,对所设计的系统进行修
改和仿真,不用对印刷板进行修改; 4. 系统集成到可编程逻辑器件以后,可减少印刷板的层次和
缩小印刷板的面积。
FPGA与PAL的比较
1.没 有使用完之前，I/O已经用完;
8000V系列
于外围控制器、运算协处理器等
2. Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列
Xilinx公司的CPLD以CoolRunner、XC9500系列为代表 Xilinx公司的FPGA以XC4000、Spartan、Virtex系列为 代表，从XC2000、 XC4000到Spartan和Virtex、 VirtexII pro等系列其性能不断的提高。
CPLD/FPGA器件产品简介
1. Lattice 公司CPLD器件系列—ispLSI、ispMACH
系列
集成度
特点以及应用场合
ispLSI1000 系列
ispLSI2000E /2000VL/200 0VE系列 ispLSI5000V 系列
2000-8000门 1000－6000门 1万－5万门