数字系统设计与Verilog HDL-CPLD、FPGA基础知识PPT课件
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第2章CPLD与FPGA工作原理简介ppt课件
可编程与阵列
乘积项选择矩阵
16个 2/16个
固定或阵列
宏单元 AB
芯片
扩展乘积项
可编程存放器
二、宏单元： 1、可编程的“与〞阵列 PIA：可编程连线阵
programmable Interconnect Array
共享扩展乘积项：添加输入数，
用于复杂电路设计。
每个宏单元提供一个单独的乘积项，经过一个非门 取反后反响到逻辑阵列中，可被LAB内任何一个或 全部宏单元运用和共享。采用共享扩展项后要添加 一个短的延时．
缺陷： 1、为顺应不同运用需求，PAL的输出I／O 构造很多，运用设计者在设计不同功能的 电路时，要采用不同输出I／O构造的PAL 器件。带来运用、消费的不便。 2、PAL普通采用熔丝工艺消费．一次可编 程，修正不方便。
被GAL取代
2.5 GAL
1985年，Lattice 1、特点：
1〕采用EEPROM工艺，具有电可擦除反 复编程的特点。 2〕在“与－或〞阵列构造上沿用了PAL 的与阵列可编程、或阵列固定的构造。
允许最多20个乘积项直接送到宏单元的“或〞逻辑， 其中5个乘积项是由宏单元本身提供的，15个并联 扩展项是从同一个LAB中临近宏单元借用的。
4、可配置存放器：可单独编程为带有可编程时钟 控制的D、T、JK或SR触发器，也可将存放器旁 路，实现组合逻辑方式。
每个存放器支持异步清零和异步置位功能．乘 积项选择矩阵分配乘积项来控制这些操作。此外， 每一个存放器的复位端可以由低电平有效的全局复 位公用引脚GCLRn信号来驱动。
2、乘积项选择矩阵
输出： 固定或阵列：组合电路 存放器：输入 清0、置1、CLK CLK-EN
3、并行扩展乘积项
并联扩展项是宏单元中一些 没有被运用的乘积项，可分 配到临近的宏单元去实现快 速、复杂的逻辑函数。
《FPGA入门学习》课件
时序控制。
LED闪烁设计
总结词
通过LED闪烁设计，掌握FPGA的基本控制功能和数字逻辑设计。
详细描述
LED闪烁设计是FPGA入门学习的基本项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA的基本控制功能 ，掌握数字逻辑设计的基本原理和方法。LED闪烁设计通常涉及到LED灯的驱动和控制，需要学习者 掌握基本的数字逻辑门电路和时序控制。
FPGA具有并行处理和高速计算的优点，适 用于数字信号处理中的实时信号处理和算 法加速。
数字滤波器设计
频谱分析和正交变换
FPGA可以实现高性能的数字滤波器，如 FIR滤波器和IIR滤波器，用于信号降噪和特 征提取。
FPGA可以高效地实现FFT等正交变换算法 ，用于频谱分析和信号频率成分的提取。
图像处理应用
优化设计技巧
时序优化
讲解如何通过布局布线、时序分析等手段优化 FPGA设计，提高时序性能。
资源共享
介绍如何通过资源共享减少FPGA资源占用，提 高设计效率。
流水线设计
讲解如何利用流水线设计技术提高系统吞吐量。
硬件仿真与调试技术
仿真工具使用
介绍常用HDL仿真工具（如ModelSim）的使用方法 。
03
CATALOGUE
FPGA开发实战
数字钟设计
总结词
通过数字钟设计，掌握FPGA的基本开发流程和硬件描述语言的应用。
详细描述
数字钟设计是FPGA入门学习的经典项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA开 发的基本流程，包括设计输入、综合、布局布线、配置下载等。同时，数字钟设计也涉 及到硬件描述语言（如Verilog或VHDL）的应用，学习者可以掌握基本的逻辑设计和
基础语言。
FPGA开发流程
LED闪烁设计
总结词
通过LED闪烁设计，掌握FPGA的基本控制功能和数字逻辑设计。
详细描述
LED闪烁设计是FPGA入门学习的基本项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA的基本控制功能 ，掌握数字逻辑设计的基本原理和方法。LED闪烁设计通常涉及到LED灯的驱动和控制，需要学习者 掌握基本的数字逻辑门电路和时序控制。
FPGA具有并行处理和高速计算的优点，适 用于数字信号处理中的实时信号处理和算 法加速。
数字滤波器设计
频谱分析和正交变换
FPGA可以实现高性能的数字滤波器，如 FIR滤波器和IIR滤波器，用于信号降噪和特 征提取。
FPGA可以高效地实现FFT等正交变换算法 ，用于频谱分析和信号频率成分的提取。
图像处理应用
优化设计技巧
时序优化
讲解如何通过布局布线、时序分析等手段优化 FPGA设计，提高时序性能。
资源共享
介绍如何通过资源共享减少FPGA资源占用，提 高设计效率。
流水线设计
讲解如何利用流水线设计技术提高系统吞吐量。
硬件仿真与调试技术
仿真工具使用
介绍常用HDL仿真工具（如ModelSim）的使用方法 。
03
CATALOGUE
FPGA开发实战
数字钟设计
总结词
通过数字钟设计，掌握FPGA的基本开发流程和硬件描述语言的应用。
详细描述
数字钟设计是FPGA入门学习的经典项目之一，通过该设计，学习者可以了解FPGA开 发的基本流程，包括设计输入、综合、布局布线、配置下载等。同时，数字钟设计也涉 及到硬件描述语言（如Verilog或VHDL）的应用，学习者可以掌握基本的逻辑设计和
基础语言。
FPGA开发流程
《CPLD与FPGA简介》PPT课件
精选ppt
2
CPLD/FPGA 与 SPLD
一般认为，复杂可编程逻辑器件CPLD/FPGA 的单片集成度大于1000门,而简单可编程逻辑 器 件 SPLD （ Simple Programable Logic Device）的单片集成度小于1000门。
目前FPGA的单片集成度已超过1千万门，达 到Intel公司最新奔腾Ⅳ CPU的集成度。可以 在这种高集成度的FPGA芯片上设计CPU/DSP,实 现SOPC。
FPGA (Field Programmable Gate Arry，现场可编程门阵 列)是Xilinx公司发明的。Xilinx公司把基于查找表技术、 SRAM存储工艺的可编程逻辑器件叫FPGA；把基于乘积项技 术、 E2PROM（或Flash MEM）存储工艺的可编程逻辑器件 叫CPLD；
Altera公司把自己生产的可编程逻辑器件都叫作CPLD,即复 杂PLD(Complex PLD),但分为 MAX系列CPLD（乘积项技术、 E2PROM存储工艺）和FLEX/ACEX/APEX系列CPLD（查找表技 术、SRAM存储工艺）。
▲利用这种查表的方法实现逻辑函数输出是一种简单、高效 的方法。这就是存储器可用作逻辑函数发生器的原理。
▲ N个输入的逻辑函数，需要2的N次方的容量的SRAM来实现
精选ppt
29
查找表（LUT)的工作原理与组成
精选ppt
30
查找表（LUT)的工作原理与组成
精选ppt
31
查找表结构的FPGA逻辑实现原理
以这个电路为例：
▲ A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为
地址线连到到LUT，LUT中由于已经事先写入了所有可能的逻辑结
精品课件-Verilog HDL数字系统设计-Verilog HDL数字系统设计-第1章
编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为ASIC领域中的 一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服 了原有可编程器件门电路有限的缺点。
第1章 概 述
26
如前所述，FPGA是由存放在片内的RAM来设置其工作状态的， 因此工作时需要对片内RAM进行编程。用户可根据不同的配置模 式，采用不同的编程方式。FPGA有如下几种配置模式：
第1章 概 述
1
第1章 概
述
1.1 EDA技术简介 1.2 可编程器件 1.3 Verilog HDL简介
第1章 概 述
2
1.1 EDA技术简介
现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设 计自动化(EDA，Electronic Design Automation)技术。所谓 EDA技术，就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上， 对以硬件描述语言(HDL，Hardware Description Language)为 系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地进行逻辑编译、化 简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直至实 现既定的电子线路系统功能。
6．目标器件的编程/下载 7．硬件仿真与测试
第1章 概 述
18
1.2 可 编 程 器 件
1.2.1 可编程逻辑器件概述 随着数字电路的普及，传统的定制数字集成电路器件已满
足不了应用的需求，可编程逻辑器件(PLD)应运而生，并逐渐地 成为主流产品。PLD与传统定制器件的主要区别是它的可编程性， 它的逻辑功能是由用户设计的，并且一般都可重复编程和擦除， 即PLD是能够为客户提供范围广泛的多种逻辑能力、特性、速度 和电压特性的标准成品部件，而且此类器件的功能可在任何时 间修改，从而实现多种不同的功能。对于可编程逻辑器件，设 计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发、仿真和测试其设 计。
FPGA基础知识PPT课件
.
18
基本可编程逻辑单元
由查找表(Look up table)触发器(FF)组成；
LUT一般是4输入查找表，高端器件（xilinx v5）采用LUT-6结构； LUT可看成4位地址线的16x1的RAM 结构
FF是可编程的触发器，可配置成同步/异步复位、同步/异步置位、 使能、装载等功能触发器；
a,b,c,d
.
29
SOPC(System on programmable chip):片上可编 程系统 FPGA内嵌入了CPU/DSP，具备实现软硬件协同 设计的能力； Xilinx：
FPGA基于查找表加触发器的结构，采用SRAM工 艺，也有采用flash或者反熔丝工艺；主要应用高 速、高密度大的数字电路设计；
FPGA由可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑 单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源（时钟/长 线/短线）、底层嵌入功能单元、内嵌专用的硬核 等组成；
目前市场上应用比较广泛的FPGA芯片主要来自 Altera与Xilinx。另外还有其它厂家的一些低端芯 片(Actel、Lattice)；
.
10
FPGA器件结构 可编程输入/输出单元 可编程逻辑单元 嵌入式块RAM 布线资源 底层嵌入功能单元
.
11
FPGA器件结构
Xilinx spatan-3器件结构
.
12
Altera cyclone II器件结构
LAB
.
13
FPGA器件结构 可编程输入/输出单元 可编程逻辑单元 嵌入式块RAM 布线资源 底层嵌入功能单元
.
5
CPLD器件结构
MAX7000 CPLD内部结构
宏单元
.
6
宏单元(乘积项)
verilog数字系统设计教程PPT课件
数字系统设计的核心知识
• 复杂数字系统的构成； • 基本电路和 Verilog 的对应关系； • 同步有限状态机在电路中的作用； • 时钟树与自动综合技术
数字逻辑电路的构成
- 组合逻辑：输出只是输入逻辑电平的函
数（有延时），与电路的原始状态无关。
• 时序逻辑：输出不只是输入的逻辑电
平的函数，还与电路所处的状态有关。
8 ‘ d 31
8‘d
t
out[15:0]
202
16 ‘ d
16‘ d
t
Sn 开
93
606
t 关
全局时钟网和平衡树结构
触发器1
全局时钟网络 触发器 图1 全局时钟网示意图
缓冲器
触发器n
图2 平衡树结构示意图
避免冒险和竞争
• 由于组合逻辑和布线的延迟引起
a
c
b
a
b
t
c
t
clock
避免冒险和竞争与流水线
t
t
带寄存器的八位数据通路控制器的波形
ControlSwitch
in[7]
out[7]
CLOCK
out[7]
D Q[7]
ControlSwitch
in[0]
out[0]
CLOCK
out[0]
D Q[0]
带寄存器的八位数据通路控制器的Verilog描述
`define ON 1 ‘b 1 `define OFF 1 ‘b 0 wire ControlSwitch; wire clock wire [7:0] out, in;
ControlSwitch in[7]
out[7]
…... …...
in[0]
• 复杂数字系统的构成； • 基本电路和 Verilog 的对应关系； • 同步有限状态机在电路中的作用； • 时钟树与自动综合技术
数字逻辑电路的构成
- 组合逻辑：输出只是输入逻辑电平的函
数（有延时），与电路的原始状态无关。
• 时序逻辑：输出不只是输入的逻辑电
平的函数，还与电路所处的状态有关。
8 ‘ d 31
8‘d
t
out[15:0]
202
16 ‘ d
16‘ d
t
Sn 开
93
606
t 关
全局时钟网和平衡树结构
触发器1
全局时钟网络 触发器 图1 全局时钟网示意图
缓冲器
触发器n
图2 平衡树结构示意图
避免冒险和竞争
• 由于组合逻辑和布线的延迟引起
a
c
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a
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c
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clock
避免冒险和竞争与流水线
t
t
带寄存器的八位数据通路控制器的波形
ControlSwitch
in[7]
out[7]
CLOCK
out[7]
D Q[7]
ControlSwitch
in[0]
out[0]
CLOCK
out[0]
D Q[0]
带寄存器的八位数据通路控制器的Verilog描述
`define ON 1 ‘b 1 `define OFF 1 ‘b 0 wire ControlSwitch; wire clock wire [7:0] out, in;
ControlSwitch in[7]
out[7]
…... …...
in[0]
《FPGA基础知识》课件
开发阶段发现问题并进行调试，确保设计的正确性和有 效性。
FPGA应用实例
计算机视觉中的FPGA
FPGA广泛用于图像处理和机 器视觉领域，能够提供高性 能和低功耗的图像处理解决 方案。
信号处理中的FPGA
FPGA可以通过高速并行处理 技术实现大规模信号处理， 有利于提高信号处理速度和 精度。
FPGA未来发展方向
1 面向高性能计算的FPGA
随着计算机科学的发展，FPGA在高性能计算、人工智能领域有着巨大的发展潜力。
2 面向云计算的FPGA
随着云计算的普及，FPGA被用于提高云计算的计算速度和存储容量。
总结
FPGA的优点与缺点的总结
FPGA的应用前景展望
在使用FPGA应用时，需要充分评估其优点和缺点， 未来，FPGA将继续发挥其在高性能计算、人工智
FPGA的应用领域
FPGA广泛用于数字信号处理、网络通信、图像处理、高性能计算等领域。
FPGA基本构成
CLB(配置逻辑块)
CLB是FPGA中最基本 的逻辑单元，由LUT 和FF组成，用于实 现逻辑和存储功能。
IOB(输入输出块)
IOB是FPGA中的输入 输出单元，用于实 现芯片与外界的通 信。
LUT(查找表)
FPGA基础知识
FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一种可编程芯片，因其灵活性、低功耗 和高性能被广泛应用。
FPGA简介
什么是FPGA？
FPGA是一种可编程逻辑芯片，由可编程逻辑单元(CLUT)、IO单元(IOB)和时钟管理器(DCM)组 成。
FPGA的历史
FPGA诞生于1985年，自那以后，FPGA在各个领域得到了广泛应用。
Quartus II软件环境
FPGA应用实例
计算机视觉中的FPGA
FPGA广泛用于图像处理和机 器视觉领域，能够提供高性 能和低功耗的图像处理解决 方案。
信号处理中的FPGA
FPGA可以通过高速并行处理 技术实现大规模信号处理， 有利于提高信号处理速度和 精度。
FPGA未来发展方向
1 面向高性能计算的FPGA
随着计算机科学的发展，FPGA在高性能计算、人工智能领域有着巨大的发展潜力。
2 面向云计算的FPGA
随着云计算的普及，FPGA被用于提高云计算的计算速度和存储容量。
总结
FPGA的优点与缺点的总结
FPGA的应用前景展望
在使用FPGA应用时，需要充分评估其优点和缺点， 未来，FPGA将继续发挥其在高性能计算、人工智
FPGA的应用领域
FPGA广泛用于数字信号处理、网络通信、图像处理、高性能计算等领域。
FPGA基本构成
CLB(配置逻辑块)
CLB是FPGA中最基本 的逻辑单元，由LUT 和FF组成，用于实 现逻辑和存储功能。
IOB(输入输出块)
IOB是FPGA中的输入 输出单元，用于实 现芯片与外界的通 信。
LUT(查找表)
FPGA基础知识
FPGA(Field-Programmable Gate Array)是一种可编程芯片，因其灵活性、低功耗 和高性能被广泛应用。
FPGA简介
什么是FPGA？
FPGA是一种可编程逻辑芯片，由可编程逻辑单元(CLUT)、IO单元(IOB)和时钟管理器(DCM)组 成。
FPGA的历史
FPGA诞生于1985年，自那以后，FPGA在各个领域得到了广泛应用。
Quartus II软件环境
数字系统设计与verilog HDL 第7章PPT课件
1) 顺序块
由关键词begin开始，end结束 顺序块中的语句是一条一条执行，只有前面的语句执行完后， 后面的语句才能执行（内嵌套延迟和非阻塞赋值除外）。
如果语句中包含有延迟或事件控制，那么延迟总是相对于上 一条语句完成的时间的。
[例] begin
b=a; c=b;
end
[例] begin
b=a; #10 c=b;
//当信号a或信号b的值发生改变
@(posedge clock)
//当clock 的上升沿到来时
@(negedge clock)
//当clock 的下降沿到来时
@(posedge clk or negedge reset)
//当clk的上升沿到来或reset信号的下降沿到来
敏感信号列表举例（4选1数据选择器）
可综合性
√ √
√ √ √ √ √
√ √ √
7.1 过程语句
initial always 在一个模块（module）中，使用initial和always语句的 次数是不受限制的。initial语句常用于仿真中的初始化 ，initial过程块中的语句仅执行一次；always块内的语句 则是不断重复执行的。
第7章 Verilog行为语句
主要内容
◆ 过程语句（initial、always） ◆ 块语句（begin-end、fork-join） ◆ 赋值语句（assign、=、<=） ◆ 条件语句（if-else、case、casez、casex） ◆ 循环语句（for、forever、repeat、while） ◆ 编 译 指 示 语 句 （ ` define、`include、`ifdef、 `else、`endif） ◆ 任务（task）与 函数（function） ◆ 顺序执行与并发执行
由关键词begin开始，end结束 顺序块中的语句是一条一条执行，只有前面的语句执行完后， 后面的语句才能执行（内嵌套延迟和非阻塞赋值除外）。
如果语句中包含有延迟或事件控制，那么延迟总是相对于上 一条语句完成的时间的。
[例] begin
b=a; c=b;
end
[例] begin
b=a; #10 c=b;
//当信号a或信号b的值发生改变
@(posedge clock)
//当clock 的上升沿到来时
@(negedge clock)
//当clock 的下降沿到来时
@(posedge clk or negedge reset)
//当clk的上升沿到来或reset信号的下降沿到来
敏感信号列表举例（4选1数据选择器）
可综合性
√ √
√ √ √ √ √
√ √ √
7.1 过程语句
initial always 在一个模块（module）中，使用initial和always语句的 次数是不受限制的。initial语句常用于仿真中的初始化 ，initial过程块中的语句仅执行一次；always块内的语句 则是不断重复执行的。
第7章 Verilog行为语句
主要内容
◆ 过程语句（initial、always） ◆ 块语句（begin-end、fork-join） ◆ 赋值语句（assign、=、<=） ◆ 条件语句（if-else、case、casez、casex） ◆ 循环语句（for、forever、repeat、while） ◆ 编 译 指 示 语 句 （ ` define、`include、`ifdef、 `else、`endif） ◆ 任务（task）与 函数（function） ◆ 顺序执行与并发执行
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器）和E2PROM（电擦写可编程只读存储器）； 特点：成本低，编程容易，适合于存储函数、数据和表格
（2） FPLA（Field Programmable Logic Array，现场可编程逻辑阵列） 在PROM基础上发展的一种PLD ❖ FPLA器件的特点： 由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成； 编程工艺采用熔丝开关，为一次性编程器件； 占用较大硅片面积； 逻辑函数输出以与-或表达式形式出现。
14
2.1 PLD的分类
二、按结构特点分类
▪ 目前常用的PLD都是从与或阵列和门阵列两类 基本结构发展而来
▪ 因此按结构特点PLD分为两大类： （1）阵列型的PLD器件：基本结构为与或阵 列； （2）单元型的PLD器件：基本结构为逻辑单 元
▪ SPLD（包括PROM、PLA、PAL、GAL）和 绝大多数CPLD都属于阵列型的PLD器件
任何组合逻辑函数均可化为“与或”表 达式，用“与门-或门”二级电路实现， 任何时序电路都是由组合电路加上存储 元件（触发器）构成的 。
从原理上说，与或阵列加上寄存器的结 构就可以实现任何数字逻辑电路。
PLD采用与或阵列加上寄存器、加上可灵 活配置的互连线的结构，即可实现任意
22
2.2 PLD的基本结构
20世纪80 年代初期
逻辑结构
与阵列固定、或 阵列可编程
与阵列、或阵列 均可编程
与阵列可编程、 或阵列固定，有
输出反馈单元
PAL型 在系统编程型
FPLA型
编程工艺 熔丝开关
熔丝开关
TTL型 CMOS型 ECL型
EEPROM
编程次数 输出电路 一次性 固定
一次性 固定
一次性 多次 一次性
固定
100次以 可编程 上
▪ FPGA则属于单元型的PLD器件：其基本结构 15
2.1 PLD的分类
三、按编程特点分类 1. 按编程次数分类 （ 1 ） 一 次 性 编 程 （ OTP ， One Time
Programmable ）PLD
采用熔丝工艺制造，熔丝断后不能再接上；反熔丝短路后也不能再断 开，因此仅能一次性编程，不能重复编程和修改。
GAL 区 别 于 PAL 和 其 他 SPLD 的 最 主要 一 点 是 其 输出结构采用灵活的、可 编程的输出逻辑宏单元 （ OLMC ， Output Logic Macro Cell）的形式。
固定的或阵列
可编程的与阵列
28
CMOS型及ECL型PAL。 PAL器件的特点
由可编程的与阵列和固定的或阵列组成； 速度快、功耗低； 除CMOS型PAL外，其他PAL器件均为一次性编程器件； 输出及反馈电路有多种结构类型。
8
行线 （输入 变量）
2.1 PLD的分类
列线（乘积项）
与阵列可 编程，或 阵列固定
图29-5 PAL器件的基本结构
大多由宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线组成。 ✓ 其集成度远远高于PAL和GAL，用来设计数字系统，体积小、功耗低、
可靠性高。
（2） FPGA（Field Programmable Gates Array ，现场可编程门阵列器件） 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 Blocks） 输入/输出模块（IOB，Input/Output Blocks） 互连资源（ICR，Interconnect Capital Resource） 或叫可编程互连线PI（Programmable Interconnect） FPGA器件内还有一可配置的SRAM，加电后存储配置数据，该数据 决定了器件的具体逻辑功能。
18
2.1 PLD的分类
按照不同的编程元件和编程工艺划分，PLD器 件可分为4类： （1）采用熔丝型开关或反熔丝型开关的PLD （2）采用紫外光擦除EPROM的PLD （▪3非）易采失用性器电件擦和除易失E性PR器O件M的PLD （4）➢ 一采般将用采S用R前A3类M编结程工构艺的的器P件L称D为非易失性器件，这
2.1 PLD的分类
1.低密度可编程逻辑器件（LDPLD） （1） PROM（Programmable Read-Only Memory，可编程只读存储器）
采用熔丝工艺编程， 由固定的与阵列和可编程的或阵列组成； 早期PROM只能写一次，不可擦除或重写； 后来又出现可多次擦写PROM：EPROM（紫外线擦除可编程只读存储
2
2.1 PLD的分类
一、按集成度分类
▪ 集成度是PLD的一项重要指标。
PROM
Low Density PLD
LDPLD(
FPLA
SPLD) PAL
PLD
Simple PLD
GAL
High Density PLD
HDPLD
CPLD FPGA
图2-1 PLD按集成度分类 3
GAL22V10 是低密度 PLD和高密 度PLD的分 水岭！
12
2.1 PLD的分类
❖SPLD器件的基本结构：与或阵列 ❖通过编程改变与阵列、或阵列的内
部连接，实现不同的逻辑功能
❖ PAL和GAL器件的缺点：
低密度，逻辑阵列规模小，每个器件仅相当 于几十个等效门；
结构简单，只能实现规模较小的电路，不适 于较复杂逻辑电路的设计；
不能完全杜绝编程数据的非法抄袭。
第2章 CPLD/FPGA基础知识
2.1 PLD的分类 2.2 PLD的基本结构 2.3 CPLD的结构与特点 2.4 FPGA的结构与特点 2.5 主要的PLD厂商 2.6 Altera公司的系列产品 2.7 Xilinx公司的系列产品
共2学时
1
2.1 PLD的分类
内容概要
一、按集成度分类 二、按结构特点分类 三、按编程特点分类
2.1 PLD的分类
（4） GAL （Generic Array Logic，通用逻辑 阵列）
工艺上采用EEPROM的浮栅技术，具有可擦除、可重新编程、数 据可长期保存和可重新组合结构的特点。
比PAL器件功能更强，结构更灵活，可取代同 型号的PAL器件。
应❖用G于AL低区成别本于、PA不L要和求其保他密SP、LD电的路最简主单要的一场点合是。其输出结构 采 用 灵 活 的 、 可 编 程 的 输 出 逻 辑 宏 单 元 （ OLMC ， Output Logic Macro Cell）的形式。
PLD实际上是通过对器件内部的基本可编程元件进行编程来实现用
户所需的逻辑功能的。
▪ 基本可编程元件：
➢ 熔丝型开关 PLICE反熔丝
➢ 反熔丝型开关 ViaLink元件
紫外光擦除EPROM
➢ 基于浮栅编程技术的可编程元件 电擦除EPROM 闪速存储器Flash Memory
➢ 基于SRAM的可编程元件
17
2.1 PLD的分类
2. 按照不同的编程元件和编程工艺分类
PLD是一种数字集成电路的半成品，在它的芯片上按照一定的排列 方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，使用者可以利用某 种开发工具对它进行加工，把内的元件连接起来，使它完成某个 逻辑电路或系统功能，成为一个可以在实际电子系统中使用的专用 集成电路。
表2-2 一次性编程器件与可多次编程器件的比较
类型 编程元件
特点 举例 适应范围
一次性编程PLD
熔丝型开关 反熔丝型开关 只允许对器件编程 一次，不能修改
PROM
产品定型后的 批量生产
可多次编程PLD
EPROM、EEPROM、 Flash Memory或SRAM
可重复编程多次，可反复修改
EPROM、E2PROM、PAL、 GAL、CPLD、FPGA 数字系统的研发、 实验阶段
注：FPLA4现已不常生产和使用！
2.1 PLD的分类
与阵列、 或阵列 均固定！
图2-2 标准门电路构成的组合逻辑电路
5
2.1 PLD的分类
行线（输入变量）
列线（乘积项） 行线（输出函数）
图2-3 FPLA的基本熔丝结构 6
2.1 PLD的分类
与阵列、 或阵列 均可编
程
图2-4 FPLA的映像逻辑图
/I3
乘积项P1 乘积项P2
26
2.2 PLD的基本结构
三、SPLD的结构
1. PROM阵列结构 与阵列固定（包含输入信
号所有可能的组合），或 阵列可编程。
采用的是熔丝开关，为一 次性编程PLD。
可编程的或阵列
固定的与阵列
27
2.2 PLD的基本结构
2. PAL与GAL阵列结构
PAL与GAL门阵列结构相 同：与阵列可编程，或阵 列固定。
P1+P2+P3
4. PLD连接的表示法 ▪ 下图为PLD中阵列交叉点3种连接方式的表示法。
➢ 图（a）为厂家生产芯片时即已连接好，不可改变； ➢ 图（b）和（c）靠编程实现。
（a）固定连接 （b）可编程连接 （c）断开
25
2.2 PLD的基本结构
5. 简单阵列的表示 图中输出O1 = P1+P2 = /I1 • /I2 • I3 + I1 • I2 •
13
2.1 PLD的分类
2.高密度可编程逻辑器件（HDPLD） （1） CPLD（Complex Programmable Logic Device ，复杂可编程逻辑器件）
采用CMOS EPROM、EEPROM、Flash Memory和SRAM等编程技术， 构成了高密度、高速度和低功耗的PLD。
类器件在编程后，配置数据将一直保持在器件内，掉电 后数据也不会丢失，直至将它擦除或重写。 ➢ 采用第4类编程工艺的器件称为易失性器件，这类器件在 编程后，每次掉电后数据会丢失，在每次上电时需要重 新配置数据。
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（2） FPLA（Field Programmable Logic Array，现场可编程逻辑阵列） 在PROM基础上发展的一种PLD ❖ FPLA器件的特点： 由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成； 编程工艺采用熔丝开关，为一次性编程器件； 占用较大硅片面积； 逻辑函数输出以与-或表达式形式出现。
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2.1 PLD的分类
二、按结构特点分类
▪ 目前常用的PLD都是从与或阵列和门阵列两类 基本结构发展而来
▪ 因此按结构特点PLD分为两大类： （1）阵列型的PLD器件：基本结构为与或阵 列； （2）单元型的PLD器件：基本结构为逻辑单 元
▪ SPLD（包括PROM、PLA、PAL、GAL）和 绝大多数CPLD都属于阵列型的PLD器件
任何组合逻辑函数均可化为“与或”表 达式，用“与门-或门”二级电路实现， 任何时序电路都是由组合电路加上存储 元件（触发器）构成的 。
从原理上说，与或阵列加上寄存器的结 构就可以实现任何数字逻辑电路。
PLD采用与或阵列加上寄存器、加上可灵 活配置的互连线的结构，即可实现任意
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2.2 PLD的基本结构
20世纪80 年代初期
逻辑结构
与阵列固定、或 阵列可编程
与阵列、或阵列 均可编程
与阵列可编程、 或阵列固定，有
输出反馈单元
PAL型 在系统编程型
FPLA型
编程工艺 熔丝开关
熔丝开关
TTL型 CMOS型 ECL型
EEPROM
编程次数 输出电路 一次性 固定
一次性 固定
一次性 多次 一次性
固定
100次以 可编程 上
▪ FPGA则属于单元型的PLD器件：其基本结构 15
2.1 PLD的分类
三、按编程特点分类 1. 按编程次数分类 （ 1 ） 一 次 性 编 程 （ OTP ， One Time
Programmable ）PLD
采用熔丝工艺制造，熔丝断后不能再接上；反熔丝短路后也不能再断 开，因此仅能一次性编程，不能重复编程和修改。
GAL 区 别 于 PAL 和 其 他 SPLD 的 最 主要 一 点 是 其 输出结构采用灵活的、可 编程的输出逻辑宏单元 （ OLMC ， Output Logic Macro Cell）的形式。
固定的或阵列
可编程的与阵列
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CMOS型及ECL型PAL。 PAL器件的特点
由可编程的与阵列和固定的或阵列组成； 速度快、功耗低； 除CMOS型PAL外，其他PAL器件均为一次性编程器件； 输出及反馈电路有多种结构类型。
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行线 （输入 变量）
2.1 PLD的分类
列线（乘积项）
与阵列可 编程，或 阵列固定
图29-5 PAL器件的基本结构
大多由宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线组成。 ✓ 其集成度远远高于PAL和GAL，用来设计数字系统，体积小、功耗低、
可靠性高。
（2） FPGA（Field Programmable Gates Array ，现场可编程门阵列器件） 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 Blocks） 输入/输出模块（IOB，Input/Output Blocks） 互连资源（ICR，Interconnect Capital Resource） 或叫可编程互连线PI（Programmable Interconnect） FPGA器件内还有一可配置的SRAM，加电后存储配置数据，该数据 决定了器件的具体逻辑功能。
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2.1 PLD的分类
按照不同的编程元件和编程工艺划分，PLD器 件可分为4类： （1）采用熔丝型开关或反熔丝型开关的PLD （2）采用紫外光擦除EPROM的PLD （▪3非）易采失用性器电件擦和除易失E性PR器O件M的PLD （4）➢ 一采般将用采S用R前A3类M编结程工构艺的的器P件L称D为非易失性器件，这
2.1 PLD的分类
1.低密度可编程逻辑器件（LDPLD） （1） PROM（Programmable Read-Only Memory，可编程只读存储器）
采用熔丝工艺编程， 由固定的与阵列和可编程的或阵列组成； 早期PROM只能写一次，不可擦除或重写； 后来又出现可多次擦写PROM：EPROM（紫外线擦除可编程只读存储
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2.1 PLD的分类
一、按集成度分类
▪ 集成度是PLD的一项重要指标。
PROM
Low Density PLD
LDPLD(
FPLA
SPLD) PAL
PLD
Simple PLD
GAL
High Density PLD
HDPLD
CPLD FPGA
图2-1 PLD按集成度分类 3
GAL22V10 是低密度 PLD和高密 度PLD的分 水岭！
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2.1 PLD的分类
❖SPLD器件的基本结构：与或阵列 ❖通过编程改变与阵列、或阵列的内
部连接，实现不同的逻辑功能
❖ PAL和GAL器件的缺点：
低密度，逻辑阵列规模小，每个器件仅相当 于几十个等效门；
结构简单，只能实现规模较小的电路，不适 于较复杂逻辑电路的设计；
不能完全杜绝编程数据的非法抄袭。
第2章 CPLD/FPGA基础知识
2.1 PLD的分类 2.2 PLD的基本结构 2.3 CPLD的结构与特点 2.4 FPGA的结构与特点 2.5 主要的PLD厂商 2.6 Altera公司的系列产品 2.7 Xilinx公司的系列产品
共2学时
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2.1 PLD的分类
内容概要
一、按集成度分类 二、按结构特点分类 三、按编程特点分类
2.1 PLD的分类
（4） GAL （Generic Array Logic，通用逻辑 阵列）
工艺上采用EEPROM的浮栅技术，具有可擦除、可重新编程、数 据可长期保存和可重新组合结构的特点。
比PAL器件功能更强，结构更灵活，可取代同 型号的PAL器件。
应❖用G于AL低区成别本于、PA不L要和求其保他密SP、LD电的路最简主单要的一场点合是。其输出结构 采 用 灵 活 的 、 可 编 程 的 输 出 逻 辑 宏 单 元 （ OLMC ， Output Logic Macro Cell）的形式。
PLD实际上是通过对器件内部的基本可编程元件进行编程来实现用
户所需的逻辑功能的。
▪ 基本可编程元件：
➢ 熔丝型开关 PLICE反熔丝
➢ 反熔丝型开关 ViaLink元件
紫外光擦除EPROM
➢ 基于浮栅编程技术的可编程元件 电擦除EPROM 闪速存储器Flash Memory
➢ 基于SRAM的可编程元件
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2.1 PLD的分类
2. 按照不同的编程元件和编程工艺分类
PLD是一种数字集成电路的半成品，在它的芯片上按照一定的排列 方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，使用者可以利用某 种开发工具对它进行加工，把内的元件连接起来，使它完成某个 逻辑电路或系统功能，成为一个可以在实际电子系统中使用的专用 集成电路。
表2-2 一次性编程器件与可多次编程器件的比较
类型 编程元件
特点 举例 适应范围
一次性编程PLD
熔丝型开关 反熔丝型开关 只允许对器件编程 一次，不能修改
PROM
产品定型后的 批量生产
可多次编程PLD
EPROM、EEPROM、 Flash Memory或SRAM
可重复编程多次，可反复修改
EPROM、E2PROM、PAL、 GAL、CPLD、FPGA 数字系统的研发、 实验阶段
注：FPLA4现已不常生产和使用！
2.1 PLD的分类
与阵列、 或阵列 均固定！
图2-2 标准门电路构成的组合逻辑电路
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2.1 PLD的分类
行线（输入变量）
列线（乘积项） 行线（输出函数）
图2-3 FPLA的基本熔丝结构 6
2.1 PLD的分类
与阵列、 或阵列 均可编
程
图2-4 FPLA的映像逻辑图
/I3
乘积项P1 乘积项P2
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2.2 PLD的基本结构
三、SPLD的结构
1. PROM阵列结构 与阵列固定（包含输入信
号所有可能的组合），或 阵列可编程。
采用的是熔丝开关，为一 次性编程PLD。
可编程的或阵列
固定的与阵列
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2.2 PLD的基本结构
2. PAL与GAL阵列结构
PAL与GAL门阵列结构相 同：与阵列可编程，或阵 列固定。
P1+P2+P3
4. PLD连接的表示法 ▪ 下图为PLD中阵列交叉点3种连接方式的表示法。
➢ 图（a）为厂家生产芯片时即已连接好，不可改变； ➢ 图（b）和（c）靠编程实现。
（a）固定连接 （b）可编程连接 （c）断开
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2.2 PLD的基本结构
5. 简单阵列的表示 图中输出O1 = P1+P2 = /I1 • /I2 • I3 + I1 • I2 •
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2.1 PLD的分类
2.高密度可编程逻辑器件（HDPLD） （1） CPLD（Complex Programmable Logic Device ，复杂可编程逻辑器件）
采用CMOS EPROM、EEPROM、Flash Memory和SRAM等编程技术， 构成了高密度、高速度和低功耗的PLD。
类器件在编程后，配置数据将一直保持在器件内，掉电 后数据也不会丢失，直至将它擦除或重写。 ➢ 采用第4类编程工艺的器件称为易失性器件，这类器件在 编程后，每次掉电后数据会丢失，在每次上电时需要重 新配置数据。
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