FPGA与CPLD的结构原理
简述cpldfpga的原理特点及应用
简述CPLD/FPGA的原理特点及应用1. 什么是CPLD/FPGACPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）和FPGA （Field Programmable Gate Array，场可编程门阵列）都属于可编程逻辑器件的一种。
它们是在数字电路设计领域中广泛应用的一类芯片，能够根据设计者的需求进行灵活的逻辑和功能配置。
CPLD是由可编程逻辑门、触发器和可编程互连电路构成；FPGA则是基于可编程逻辑块、可编程的互连和内部存储单元块。
2. CPLD/FPGA的工作原理CPLD/FPGA的工作原理是通过对其内部的逻辑单元、开关和互连网络进行编程来实现特定的功能和逻辑操作。
2.1 CPLD的工作原理CPLD是由大量可编程逻辑门和触发器构成的，其中逻辑门负责逻辑运算，触发器负责存储数据。
CPLD内部的可编程逻辑门和触发器的连线可以通过编程修改，从而灵活配置逻辑功能。
CPLD通过内部编程存储器（PROM）或者FLASH等方式存储逻辑设计，并在电源打开后加载这些设计。
一旦CPLD内部的逻辑门和连线被编程好后，它们将始终保持不变，从而实现了硬件的逻辑功能。
2.2 FPGA的工作原理FPGA的逻辑块（Logic Block）是由可编程逻辑单元、可编程的互连和内部存储单元块组成。
逻辑单元负责逻辑运算，互连负责连接逻辑单元和存储单元，内部存储单元用于存储数据。
FPGA利用逻辑单元和互连网络构建逻辑功能，通过内部存储单元来实现数据的存储。
与CPLD不同的是，FPGA的逻辑块在每次上电时都需要重新加载设计，因此它可以根据需求重新配置逻辑功能。
3. CPLD/FPGA的特点CPLD/FPGA有以下几个特点：3.1 可编程性CPLD/FPGA可以根据设计者的需要进行编程，从而实现特定的逻辑功能。
这种可编程性使得CPLD/FPGA适用于多种应用场景，能够灵活应对不同的需求。
CPLD原理及结构
可编程逻辑器件工艺及结构LOGOFPGA 芯片的内部结构--查找表由布尔代数理论可知，对于一个n 输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在种结果。
如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元，就相当于实现了与非门电路的功能。
FPGA 通过烧写文件，配置查找表的内容。
从而，在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。
FPGA 芯片的内部结构--4输入查找表查找表（Look-Up-Table ）简称为LUT ，LUT 本质上就是一个RAM 。
目前, FPGA 中多使用4输入的LUT ，所以每一个LUT 可以看成一个有4位地址线的RAM 。
设计者通过原理图或HDL 语言描述了一个逻辑电路后，PLD /FPGA 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM 。
这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
FPGA芯片的内部结构--4输入查找表实际逻辑电路LUT实现方式a,b,c,d输入逻辑输出RAM地址RAM中存储内容00000000000001000010…..….1111111111FPGA 芯片的内部结构--4输入查找表一个逻辑电路的Verilog HDL 描述直接对应的逻辑电路经过EDA 软件综合FPGA 芯片的内部结构--4输入查找表FPGA 芯片的内部结构--4输入查找表LUT 具有和逻辑电路相同的功能。
实际上，LUT 具有更快的执行速度和更大的规模。
LUT 具有下面的特点：（1）LUT 实现组合逻辑的功能由输入端口数量决定，而不是由复杂度决定。
（2）LUT 实现组合逻辑有固定的传输延迟。
FPGA 芯片的内部结构--6输入查找表多年以来，四输入LUT 一直是业界标准。
但是，在65nm 工艺条件下，相较于其它电路（特别是互连电路），LUT 的常规结构大大缩小。
（1）一个具有四倍比特位的六输入LUT (6-LUT) 仅仅将CLB 面积提高了15% -但是平均而言，每个LUT 上可集成的逻辑数量却增加了40%。
FPGA与CPLD的结构原理
FPGA与CPLD的结构原理FPGA结构原理：FPGA是一种可重构器件，它由大量的可编程逻辑单元（Logic Element，LE）组成，每个LE都包含查找表（Look-Up Table，LUT）、寄存器以及可编程连接资源。
FPGA的结构原理可以分为三个关键组件：查找表、可编程连接资源和I/O资源。
1.查找表：FPGA中的查找表是其最基本的单元，通常由4-6个输入信号和1个或多个输出信号组成。
查找表中包含一个存储器单元和一组可编程拨码开关。
存储器单元中存储了一组真值表，根据输入信号的组合来选择对应的输出信号。
这种基于查找表的逻辑实现既灵活又高效。
2.可编程连接资源：FPGA中的连接资源是一个非常重要的部分，它可以实现片上资源之间的任意连接。
通常，FPGA中的连接资源采用可编程互连点（Programmable Interconnect Point，PIP）的方式实现。
每个PIP可以通过可编程电路来控制是否对其中一对逻辑单元进行连接。
3.I/O资源：FPGA的I/O资源用于与外部世界进行交互。
每个I/O资源通常包含输入/输出引脚、输入/输出缓冲器以及可编程的电平转换电路。
通过对I/O资源的编程，可以根据实际需求来设置引脚的输入/输出电平以及输出驱动能力。
CPLD结构原理：CPLD是一种较小规模的可编程逻辑器件，它通常由若干个宏单元（Macrocell）组成，每个宏单元都包含与FPGA相似的逻辑资源和可编程连接资源。
CPLD的结构原理可以分为三个关键组件：宏单元、可编程连接资源和I/O资源。
1.宏单元：宏单元是CPLD的核心单元，通常由多个查找表、寄存器和触发器组成。
宏单元中的查找表用于实现逻辑功能，寄存器用于存储中间结果或控制信号，触发器用于实现时序逻辑。
一个CPLD可以包含多个宏单元，各个宏单元可以通过可编程连接资源相互连接。
2.可编程连接资源：CPLD中的可编程连接资源通常采用矩阵交叉开关（Crosspoint Switch）的方式实现。
第二章 FPGA／CPLD结构与应用
图2-22 复合型组合输出结构
图2-21 组合输出双向结构
EDA技术讲义
2.2.5 GAL
图2-24输出反馈结构 图2-23 反馈输入结构
EDA技术讲义
2.2.5 GAL
图2-25 简单模式输出结构
2.3 CPLD结构与工作原理
来自 PIA的 36个信号
EDA技术讲义
图2-26 MAX7000系列的单个宏单元结构
EDA技术讲义
2.1
概
述
图2-1 基本PLD器件的原理结构图
输 入
输入 缓冲
与 阵 列
或 阵 列
输出 缓冲 电路
输 出
„
„
电路
EDA技术讲义
2.1.1 可编程逻辑器件的发展历程
EPLD
PROM 和 器 件 PLA 70年代
改 进 的 PLA 器 件 GAL 器 件
器 件
CPLD
80年代
FPGA 器 件
EPLD
Erasable Programmable Logic Device
EDA技术讲义
时钟信
输入口
号输入 逻辑宏单元
GAL16V8
输入/输出口
固定或阵列
可编程与阵列
三态控制
EDA技术讲义
2.2.5 GAL
图2-20寄存器模式组合双向输出结构
图2-19寄存器输出结构
EDA技术讲义
2.2.5 GAL
全局 清零 全局 时钟 来自 I/O引脚
Vcc SL0 7
11 10 R 01 00
0
D
Q Q
SL1 7 7 I1 2
11 10 R 01 00 11 10 R 01 00 SG0 SL0 6
请说明cpld和fpga的可编程原理
请说明cpld和fpga的可编程原理CPLD（Complex Programmable Logic Device）和FPGA（Field-Programmable Gate Array）是两种可编程逻辑器件，它们都可以通过编程来实现特定的逻辑功能。
下面是它们的可编程原理的说明：CPLD的可编程原理：1. CPLD由一系列可编程逻辑单元（PLU）组成，每个PLU可以执行逻辑运算和存储数据。
2. CPLD中还包含了一些可编程的片内连接资源，用于将不同PLU之间以及PLU 与外部引脚之间的信号连接起来。
3. 在对CPLD进行编程时，用户可以通过使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）描述所需的逻辑功能，并将这些描述转化为CPLD可识别的位文件。
4. 将编程完成的位文件加载到CPLD中后，CPLD会根据其中的逻辑描述配置PLU的功能，以及完成内部和外部信号的连接，从而实现所需的逻辑功能。
FPGA的可编程原理：1. FPGA由大量的可编程逻辑元件（LE）和可编程互连资源（IC）组成，LE是FPGA中最基本的逻辑单元，而IC是用于连接LE的片内资源。
2. FPGA中的LE可以通过编程来实现各种逻辑运算和存储数据的功能。
3. IC提供了灵活的直接互连结构，可以将不同的LE以及LE与外部引脚之间的信号互连起来，从而形成所需的逻辑功能。
4. 在对FPGA进行编程时，用户同样可以使用硬件描述语言来描述逻辑功能，并将其转化为可以被FPGA识别的位文件。
5. 加载位文件后，FPGA会根据其中的逻辑描述初始化LE的功能以及互连资源的连接方式，从而实现所需的逻辑功能。
总的来说，CPLD和FPGA都是可编程的逻辑器件，其可编程原理都是通过将逻辑描述转化为相应的位文件，再将位文件加载到器件中，通过配置器或控制逻辑来执行相应的功能。
区别在于CPLD主要由可编程逻辑单元组成，适用于实现较小规模的逻辑功能，而FPGA则由大量的可编程逻辑元件和互连资源组成，适用于实现较复杂的逻辑功能。
FPGA／CPLD结构原理
可编程逻辑器件（PLD）
简单 PLD
复杂 PLD
PROM
33//6631
PLA PAL GAL
图2-2 PLD按集成度分类
第3页/共65页
CPLD
FPGA
K 康芯科技 X
编程过程就是根据设计的熔丝
2.1
概
述 较高称的为编紫程外电线压擦进除行电编之图 程可程间文 的编。在获件 目程当编得来 的（需程导烧。或要处通断(阵再一通。对列次次过与应）编性击熔的逻程可穿丝熔辑时编漏烧丝器，程层断，件用使)获达，紫得得到是外两开编用点
22//6631
GAL (Generic Array Logic)
EPLD
CPLD
紫外线或电擦除PLD
复杂PLD
第2页/共65页
现场编程门阵列
FPGA
K 康芯科技 X
2.1 概 述 P用 PRL的DO一。逻M类、辑是P门芯L数A片、大集P约A成在L度、50对 称 单较G0， 为 P低门ALL集 复的以一D都。成 杂，下般属度P早，以于L如 器大期称GD这现 件A，于出为类L另在 ，反G现简2，一A大 称2之的单V可L类量 为归1202是使 复类作V芯用杂1为为0片的P的简比L集CDP成。L度D、较F高P的GA，
线进行擦除。与熔丝、电路反可正熔擦好丝相写型反编不。程同(，一（E次或P性R阵O可列M编可）程多器)次件编，
按编程工艺分类
程。SR有A时M为查降找低表生现结产构有成的的本器大，件部在，制分大造部CE分PPLFRDPOG及MA型G器A器件L件都器时采件不用采加此
((12))熔反熔丝种件编要性述丝(F用而编，程专可反这u(于只采程不信用A种编熔由s紫能工过息器用编ne程 丝于外编艺就件S程了t)R，器线程型i。 丢 来反方Af反擦一u对件失 完M熔式器熔除次s型了 成于的在丝e的，用艺是器丝， 这件编产不结)石也件再 类此改直工型程品足(构英被的次 配编类进接艺速器的之窗称编上 置的度结，用的程口为程研处电 操可件、构不电A，O信使需 作制，编编cT于。需擦息(要 。Pt和推程连编程e是器存再 而它要除l要升出公接逻程就件放次 前是紫。求级 了不司。在编四辑断使上对外能R带采程种，器要开连A线E用器(来用为配优M件P紫擦)接件中R置了F于。了只外在除lO，)前接a麻。解能线编Ms在，四因h烦通擦决一程的断种而工而除。后上次)电工器需艺，是。后
FPGA与CPLD的结构原理
第14页/共34页
2.3 CPLD的结构原理
4. 可编程连线阵列PIA 不同的LAB通过在PIA上布线，以便相互连接构成所需的逻辑。 这个全局总线是一种可编程的通道，可以把器件中任何信号连接到目的地。 专用输入、I/O引脚和宏单元输出
第15页/共34页
第17页/共34页
2.4 FPGA的结构原理
2.4.2 Cyclone III系列器件的结构原理 LE：逻辑宏单元，最基本的可编程单元。
FPGA结构
第18页/共34页
2.4 FPGA的结构原理
2.4.2 Cyclone III系列器件的结构原理 （1）普通模式：一般用于通用逻辑和组合逻辑的实现。
21pld211pld的发展历程212pld分类20世纪70年代20世纪90年代后500门22简单pld结构原理221逻辑元件符号表示22简单pld结构原理221逻辑元件符号表示22简单pld结构原理222prom结构原理22简单pld结构原理222prom结构原理4x222简单pld结构原理223pla结构原理标准与或式22简单pld结构原理224pal结构原理22简单pld结构原理224pal结构原理225gal结构原理gal的输出逻辑宏单元olmc中含有四个多路选择器通过不同的选择方式可以产生多种输出结构分别属于三种模式一旦确定了某种模式所有的olmc都将工作在同一种模式下
第22页/共34页
2.4 FPGA的结构原理
2.4.2 Cyclone III系列器件的结构原理 Cyclone 3器件中设置有全局控制信号，用于时钟及复位信号在每个时序逻辑 单元的同步。
第23页/共34页
2.4 FPGA的结构原理
FPGA与CPLD 总结
CPLD(complex programable logic device)复杂可编程逻辑器件FPGA（field programable gate array)现场可编程门阵列FPGA和CPLD的逻辑单元本身的结构与SPLD相似，即与阵列和可配置的输出宏单元组成。
FPGA逻辑单元是小单元，每个单元只有1-2个触发器，其输入变量通常只有几个因而采用查找表结构（PROM形式）这样的工艺结构占用的芯片面积小，速度高（通常只有1-2纳秒），每个芯片上能集成的单元数多，但逻辑单元功能弱。
如果想实现一个较复杂的功能，需要几个这样的单元组合才能完成（总延时是各个单元延时和互连延时的和），互连关系复杂。
CPLD中的逻辑单元是单元，通常其变量数约20-28个。
因为变量多，所以只能采用PAL结构。
由于这样的单元功能强大，一般的逻辑在单元内均可实现，因而其互连关系简单，一般通过集总总线既可实现。
电路的延时通常就是单元本身和集总总线的延时（通常在数纳秒至十几纳秒），但是同样集成规模的芯片中的触发器的数量少得多。
从上面分析可知道：小单元的FPGA较适合数据型系统，这种系统所需要的触发器数多，但是逻辑相对简单；大单元的CPLD较适合逻辑型系统，如控制器等，这种系统逻辑复杂，输入变量多，但触发器需求量相对较少。
反熔丝工艺只能一次性编程，EPROM EEPROM 和FLASH工艺可以反复的编程，但是他们一经编程片内逻辑就被固定。
他们都是只读型（ROM）编程，这类编程不仅可靠性较高还可以加密。
XILINX公司的FPGA芯片采用RAM型编程，相同集成规模的芯片中的触发器数目较多，功耗低，但是掉电后信息不能保存，必须与存储器联用。
每次上电时必须先对芯片配置，然后才能使用，这似乎是RAM型PLD的缺点，但是ROM型PLD中的编程信息在使用时是不能变化的，RAM型PLD却可以在工作时更换内容，实现不同的逻辑。
CPLD和FPGA的结构，性能对照：CPLD FPGA PROM集成规模：小（最大数万门）大（最高达百万门）单元粒度：大（PAL结构）小（PROM结构）互连方式：集总总线分段总线长线专用互连编程工艺：EPROM EEPROM FLASH SRAM编程类型：ROM RAM型须与存储器联用信息：固定可实时重构触发器数：少多单元功能：强弱速度：高低222222222222222222222222222222222222延迟：确定，可以预测不能确定不能预测功耗：高低加密性能：可加密不能加密适用场合：逻辑型系统数据型系统LCA（LOGIC CELL ARRAY）逻辑单元阵列CLB（CONFIGURABLE LOGIC BLOCK）可配置逻辑模块IOB（INPUT OUTOUT BLOCK）输入输出块Spartan-xl系列FPGA的主要特性SPARTAN-XL系列的FPGA具有低压，低功耗的特点。
CPLD-FPGA 结构与原理
CPLD/FPGA 结构与原理/advance/structures/lut.htm一.基于乘积项（Product-Term)的PLD结构采用这种结构的PLD芯片有：Altera的MAX7000，MAX3000系列（EEPROM工艺）,Xilinx的XC9500系列（Flash工艺）和Lattice,Cypress的大部分产品（EEPROM工艺）我们先看一下这种PLD的总体结构（以MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似）：图1 基于乘积项的PLD内部结构这种PLD可分为三块结构：宏单元（Marocell)，可编程连线（PIA)和I/O控制块。
宏单元是PLD的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。
图1中蓝色部分是多个宏单元的集合（因为宏单元较多，没有一一画出）。
可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。
I/O控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。
图1 左上的INPUT/GCLK1，INPUT/GCLRn,INPUT/OE1,INPUT/OE2 是全局时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专用连线与PLD中每个宏单元相连，信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。
宏单元的具体结构见下图：图2 宏单元结构左侧是乘积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可编程熔丝，如果导通就是实现“与”逻辑。
后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。
两者一起完成组合逻辑。
图右侧是一个可编程D触发器，它的时钟，清零输入都可以编程选择，可以使用专用的全局清零和全局时钟，也可以使用内部逻辑（乘积项阵列）产生的时钟和清零。
如果不需要触发器，也可以将此触发器旁路，信号直接输给PIA或输出到I/O脚。
二.乘积项结构PLD的逻辑实现原理下面我们以一个简单的电路为例,具体说明PLD是如何利用以上结构实现逻辑的，电路如下图：图3假设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f，则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D + B*C*!D ( 我们以!D表示D的“非”）PLD将以下面的方式来实现组合逻辑f:图4A,B,C,D由PLD芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列（PIA)，在内部会产生A,A反,B,B反,C,C反,D,D反8个输出。
CPLD和FPGA内部结构和原理
CPLD和FPGA内部结构和原理1.CPLD的内部结构和原理：CPLD中的主要组件是可编程逻辑单元（PLU），每个PLU中包含了多个可编程逻辑阵列（PLA），以及用于配置逻辑功能的多个存储器单元。
每个PLA都包含了输入寄存器、多个AND门和一个OR门。
当CPLD需要实现一些逻辑功能时，相关的逻辑门将被编程为特定的功能，并在PLU中通过可编程互连的方式连接起来。
此外，CPLD通常还包含时钟管理单元、输入/输出单元和可编程的信号延迟单元。
CPLD的工作原理如下：1) 配置：在设计过程中，使用者将所需逻辑功能转换为硬件描述语言（如VHDL或Verilog），然后通过设计工具将其编译为CPLD可接受的配置文件。
配置文件将存储在CPLD的非易失性存储器中（通常是闪存或EEPROM）。
2)启动：当CPLD上电时，其中的配置文件会被加载到可编程逻辑单元中，使CPLD实现所需的逻辑功能。
3)运行：一旦CPLD成功配置，它将按照配置文件中定义的逻辑功能来处理输入信号，并在输出端口提供相应的输出信号。
CPLD还可以通过重配置来支持动态更新设计，以满足不同的应用需求。
2.FPGA的内部结构和原理：FPGA由海量的可编程逻辑单元和可编程互连网络组成。
可编程逻辑单元由可编程逻辑阵列（Look-Up Table，LUT）和触发器组成，用于实现具体的逻辑功能。
可编程互连网络通过配置跨可编程逻辑单元的信号路径实现不同模块之间的连接。
FPGA的工作原理如下：1)配置：同样，设计者使用硬件描述语言编写逻辑功能描述，并通过设计工具将其编译为FPGA可接受的配置文件。
配置文件存储在FPGA的非易失性存储器中。
2)启动：当FPGA上电时，配置文件会被加载到FPGA的可编程逻辑单元和可编程互连网络中，以实现所需的逻辑功能。
3)运行：一旦FPGA成功配置，它将按照配置文件中定义的逻辑功能来处理输入信号，并在输出端口提供相应的输出信号。
FPGA还可以支持动态重配置，即在运行时重新配置FPGA以改变逻辑功能。
1第二章 CPLD和FPGA的器件结构
PLD中或阵列的表示
8/46
阵列线连接表示
阳小明
二、 电路符号表示
与门、或门的表示
9/46 阳小明
2.3 低密度PLD的原理与结构（简单PLD）略
10/46
阳小明
2.4 CPLD的原理与结构(P21)
CPLD器件 的结构
11/46
阳小明
一、CPLD---MAX7000系列（已过时）
MAX7000 MAX7000S MAX7000E
13/46
I\OE
PIA
图1-9 CPLD结构原理 I/O E I/O控制块
阳小明
①LAB逻辑阵列块 一个LAB由16个宏单元构成
宏单元的 乘积项 逻辑
局部连线
共享扩展 项提供的 “与非” 乘积项
宏单元的 乘积项 逻辑
图1-10 LAB 结构原理 14/46
阳小明
②PIA可编程连线阵列 不同的LAB通过在可编程连线阵列(PIA)上布线， 以相互连接构成所需的逻辑。
21/46
阳小明
VCCIO
VCCIO VCCIO
VCCIO
VCCIO VCCIO
VCCIO
22/46
VCCIO
阳小明
⑧、在系统可编程（ISP） MAX II 器件运行用户在器件工作的状态下更新配 置Flash 存储器。
（2）结构
①LAB逻辑阵列块 一个LAB由10个LE（逻辑单元）构成，而一个 LE又包含一个LUT（查找表）和一个寄存器等。各 LE由LAB Interconnects相联。
17/46 阳小明
①、成本优化架构 以最小化裸片面积为目标的架构，打破了典型 CPLD 的成本、容量和功耗限制，是上一代CPLD 密度的四倍，成本却只有一半，业界单个I/O 管脚成 本最低。 ②、低功耗 提供了CPLD 业界最低的动态功耗，只有前一 代MAX 系列CPLD 的十分之一。 ③、高性能 支持内部时钟频率高达300 MHz 。
电路中的可编程逻辑器件与FPGA
电路中的可编程逻辑器件与FPGA 电路中的可编程逻辑器件与FPGA（Field-Programmable Gate Array），是当代数字电路设计与实现中的重要组成部分。
它们在计算机硬件、通信系统、嵌入式系统以及人工智能等领域都有广泛的应用。
本文将从可编程逻辑器件的概念、分类和应用等方面进行详细探讨。
一、可编程逻辑器件的概念可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是指可以根据需要进行逻辑功能变换的器件。
它采用可编程技术，可以根据用户的设计要求来实现特定的逻辑功能，适应不同的应用场景。
可编程逻辑器件的核心是可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）和可编程电路阵列（Programmable Array Logic，PAL），它们提供了用于实现布尔逻辑函数的逻辑门和开关元件。
二、可编程逻辑器件的分类根据器件的结构和工作原理，可编程逻辑器件可以分为CPLD （Complex Programmable Logic Device）、FPGA、ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）等几种类型。
1. CPLDCPLD是一种逻辑器件，它可以实现中等规模的逻辑功能。
与FPGA相比，CPLD具有更高的可靠性和稳定性。
CPLD的核心是可编程逻辑阵列和可编程时钟网络。
它适用于中等规模的逻辑系统设计，如控制逻辑、接口逻辑等。
2. FPGAFPGA是一种可编程逻辑器件，它具备高度灵活性和可重构性。
FPGA的核心是可编程逻辑阵列和可编程互连网络。
通过在逻辑阵列中配置相应的逻辑元件和互连开关，可以实现特定的逻辑功能。
FPGA适用于大规模的逻辑系统设计，具有强大的并行处理能力和丰富的资源。
3. ASICASIC是一种专用集成电路，可以实现特定的应用功能。
与FPGA相比，ASIC通常具有更高的性能和更低的功耗。
FPGA与CPLD应用案例
FPGA与CPLD应用案例FPGA（Field Programmable Gate Array）和CPLD（Complex Programmable Logic Device）是现代数字电路设计中常用的可编程逻辑设备。
它们的灵活性和适应性使得它们在各种应用场景中发挥重要作用。
本文将介绍FPGA和CPLD的工作原理，并通过具体的应用案例，说明它们在不同领域中的应用。
一、FPGA和CPLD的工作原理FPGA是由可编程逻辑单元和可编程连线网络组成的可编程电路芯片。
它的内部结构由大量的逻辑块组成，每个逻辑块包含查找表、触发器和多路选择器等元件。
通过在逻辑块之间建立连线，可以实现不同的逻辑功能。
FPGA的逻辑配置是通过存储在外部存储器中的配置位流（Configuration Bitstream）来实现的。
CPLD也是一种可编程逻辑器件，其结构相对简单，由AND/OR门和触发器构成。
CPLD的逻辑配置使用EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）存储，并且在启动时进行加载。
二、FPGA和CPLD的应用案例1. 通信领域FPGA和CPLD在通信领域中广泛应用。
例如，无线通信系统中的调制解调器模块可以使用FPGA来实现，通过对不同调制算法的配置，可以满足不同的通信标准。
CPLD也可以用于数据处理和时序控制等任务。
2. 图像处理FPGA和CPLD在图像处理领域也有广泛的应用。
通过FPGA的灵活性，可以实现各种图像处理算法，如边缘检测、滤波和图像压缩等。
CPLD可以用于时序控制，确保图像数据的正确传输和处理。
3. 工业自动化在工业自动化领域，FPGA和CPLD常被用于控制系统中。
通过FPGA实现的控制器可以满足实时性要求，同时支持多种输入输出接口，如模拟输入输出、数字输入输出和串行通信接口等。
CPLD则可用于实现各种精确的时序控制和逻辑判断。
CPLD和FPGA原理
CPLD和FPGA原理FPGA是现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array）的缩写，它是一种可编程逻辑器件，与CPLD相比，FPGA具有更大规模的逻辑门和更复杂的互连电路。
FPGA的核心原理是由多个查找表（Look-Up Table，LUT）和触发器组成的逻辑区块组（Logic Block Array），这些逻辑区块组之间通过可编程互连电路进行连接。
FPGA被广泛应用于复杂的数字系统设计和高速应用，由于具有高灵活性和可实时配置的特点，FPGA在电子领域的应用日益普及。
CPLD和FPGA的主要区别在于规模和可编程性。
CPLD通常具有几千至几万个逻辑门和触发器，适用于较小规模的设计和低速应用。
而FPGA则通常具有数十万至数百万个逻辑门和触发器，适用于大规模复杂的设计和高速应用。
CPLD的可编程性较低，逻辑功能和互连电路的配置较为简单，因此设计和开发过程相对简单；而FPGA的可编程性较高，可以实现更复杂的逻辑功能和互连电路，但也需要更复杂的设计和开发过程。
CPLD和FPGA的编程方式也略有不同。
对于CPLD，通常使用一种称为可编程逻辑器件集成环境（PLD Integrated Development Environment，PLD-IDE）的软件来进行设计、仿真和烧录。
而对于FPGA，通常使用一种称为可编程逻辑设备集成环境（FPGA Integrated Development Environment，FPGA-IDE）的软件来进行设计、仿真、综合和实现。
这些开发环境提供了图形化界面和高级编程语言，使得用户可以通过简单的操作实现复杂的逻辑设计。
总结起来，CPLD和FPGA都是可编程逻辑器件，通过内部的可编程互连电路和可编程逻辑门实现逻辑功能的配置。
CPLD适用于较小规模和低速应用，具有较低的功耗和较低的成本；而FPGA适用于大规模复杂和高速应用，具有高灵活性和可实时配置的特点。
FPGA与CPLD的结构原理
FPGA与CPLD的结构原理
一、FPGA结构原理
FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可在现场编程的可
编程门阵列，是一种由逻辑门构成的集合，其中由多种结构构成，如逻辑
单元，状态存储器，数字延迟编码器，非结构式计数器等。
1、逻辑单元
FPGA的核心是逻辑单元，它是门阵列中最基本的结构，是FPGA的基
本构建单元。
FPGA中的几乎所有的电子元件都可以被形象地看作是一个
个逻辑单元。
逻辑单元由一组或多组二进制触发电路组成，这些触发电路
把高速寄存器、内部输入和输出引脚连接在一起，并可以设置和改变状态，通过这些触发电路与外界进行信号的交互，最终实现所需的功能。
2、数字延迟编码器
FPGA中的数字延迟编码器，也称为动态延迟编码器，也被称为DLL
或DDL，它是一种可变延时的数字信号处理器，可以对外输出信号进行动
态延迟，从而实现信号的正常传输，消除信号的失真。
3、状态存储器
FPGA中的状态存储器，也称为静态存储器，用来存储和控制FPGA中
的模块配置，以及其他一些特定的信息，如配置密钥等，状态存储器可以
被用来实现其中一种特定功能或复杂功能。
4、非结构式计数器
FPGA中的非结构式计数器是一种可编程的计数器，可以设定不同的
组合。
第2章FPGACPLD结构原理
作业标准记得牢，驾轻就熟除烦恼。2020年10月20日星期 二2时14分6秒14:14:0620 October 2020
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午2时14分6秒 下午2时 14分14:14:0620.10.20
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2020.10.2014:1414:14:0614:14:06Oc t-20
好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。下 午2时14分6秒 下午2时 14分14:14:0620.10.20
一马当先，全员举绩，梅开二度，业 绩保底 。20.10.2020.10.2014:1414:14:0614:14:06Oc t-20
牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。2020年10月20日 星期二2时14分 6秒Tuesday, October 20, 2020
2.4 FPGA的结构及其工作原理
2.4.1 查找表逻辑结构
2.4 FPGA的结构及其工作原理
2.4.1 查找表逻辑结构
2.4.2 Cyclone III 系列器件的结构与 原理
2.4.2 Cyclone III系列器件的结构与原理
2.4.2 Cyclone III系列器件的结构与原理
2.4.2 Cyclone III系列器件的结构与原理
2.6 PLD产品概述
2.6.3 Altera公司的PLD器件
1. Stratix 4/6 系列FPGA 2. Cyclone 4系列FPGA 3. Cyclone系列FPGA（低成本FPGA） 4. Cyclone II系列FPGA 5. Cyclone III系列FPGA 6. MAX系列CPLD 7. MAX II系列器件 8. Altera宏功能块及IP核
CPLD和FPGA
• FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻 辑模块CLB（Configurable Logic Block)、 输入/输出模块IOB（Input Output Block)和 内部连线（Interconnect) 三个部分，FPGA 的基本特点如下： （1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要 投片生产，就能得到可用的芯片。
图1-30 PIA信号布线到LAB的方式
2.1.3 I/O控制块
I/O单元是CPLD外部封装引脚和内部逻辑间的接口。 每个I/O单元对应一个封装引脚，对I/O单元编程，
可将引脚定义为输入、输出和双向功能。
到 内 部 可 编 程 连 线 区 到其他 I/O 单 元 输入缓冲 D2 输出缓冲驱 动 1 r 0 r 到其他 I/O 单元 M O E 摆率 控制 VCCIN
A1
A0 A0
F0
A1 F1
F1
F0
图1-15PAL结构：
图1-16 PAL的常用表示：
用PAL实现全加器
An Bn Cn
AnBnCn
“或”阵列 （固定）
AnBnCn
AnBnCn AnBnCn
AnBn
AnCn
Sn An BnCn An Bn Cn An Bn Cn An BnCn Cn1 An Bn AnCn BnCn
• FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置工 作状态的，因此工作时需要对片内的RAM进 行编程。掉电后，FPGA恢复成空白状态， 内部逻辑关系消失。因此FPGA能够反复使 用。 • FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只需 用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要 修改FPGA功能时，只需修改EPROM中的内容 即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数 据，可以产生不同的电路功能。因此， FPGA 的使用非常灵活。
第2章 FPGA与CPLD的结构原理
2.1 PLD概述
2.1.1 PLD的发展历程
1. 70年代，PROM（programmable read only memory）和PLA(programmable logic array)最 早的可编程逻辑器件，熔丝编程； 2. 70年代末，PAL(programmable array logic)； 3. 80年代初，可重复编程的GAL（generic array logic），电擦除； 4. 80年代中期，采用大规模集成电路技术的EPLD， 紫外线或电擦除； 5. 80年代末，CPLD和FPGA
• 问题：FPGA如何实现可编程的？
2.4.1 查找表逻辑结构
• LUT是基于SRAM(静态随机存储器)的查找表 逻辑形成结构，用SRAM构成逻辑函数发生 器（LUT本质就是一个RAM ）。
• 一个N输入的查找表，需要SRAM存储N个输 入构成的真值表，需要用2的N次幂的SRAM 单元，利用率低。
2.6.2 Xilinx公司的PLD器件
1. Virtex-6系列FPGA 2. Spartan-6器件系列 3. XC9500/XC9500XL系列CPLD 4. Xilinx Spartan-3A系列器件 5. Xilinx的IP核
2.6 大规模PLD产品概述
2.3 CPLD的结构原理
MAX3000A结构中包含五个主要部分：
逻辑阵列块LAB； 宏单元； 扩展乘积项； 可编程连线阵列PIA； I/O控制块；
2.3 CPLD的结构原理
2.5.2 JTAG边界扫描
边界扫描测试标准IEEE1149.1 BST的结构： 使用四个I/O引脚和一个可选引脚TRST作为JTAG引脚。 四个引脚：TDI TDO TMS TCK
FPGA_百度百科
（尤其在法律、医学等领域），建议您咨询相关领域专业人士。 本词条对我有帮助
参考资料：
1./ IC人际网_直接与高级工程师交流FPGA
【FPGA工作原理】
【FPGA配置模式】
【FPGA主要生产厂商介绍】
FPGA与CPLD的辨别和分类
FPGA是英文Field－Programmable Gate
Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（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数有限的缺点。
4.
利用以上两个电子数据表的信息和区域兼容性准则，先分配受限制程度最大的信号到引脚上，最后分配受限制最小的。例如，你可能需要先分配串行总线和时钟信号，因为它们通常只分配到一些特定引脚。
5.
按照受限制程度重新分配信号总线。在这个阶段，可能需要仔细权衡同时开关输出(SSO)和不兼容I/O标准等设计问题，尤其是当你具有很多个高速输出或使用了好几个不同的I/O标准时。如果你的设计需要局部/区域时钟，你将可能需要使用高速总线附近的管脚，最好提前记住这个要求，以免最后无法为其安排最合适的引脚。如果某个特定块所选择的I/O标准需要参考电压信号，记住先不要分配这些引脚。差分信号的分配始终要先于单端信号。如果某个FPGA提供了片内端接，那么它也可能适用于其他兼容性规则。
对设计中给定的驱动器，动态功耗由下式计算
p=CL×V 2 DD×f
式中，CL是电容负载，VDD是电源电压，f则是开关频率。总功耗是每个驱动器功耗之总和。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一种最优秀的PLD开发平台之一，适合开发中小 规模PLD/FPGA。
② QuartusII
新一代FPGA/PLD开发软件，适合新器件和大规模FPGA的开发，将 逐步取代MaxplusII。
③ HDL综合工具
MaxplusII Advance Synthsis：语言综合工具。
SOPC Builder：配合QuartusII，完成集成CPU的FPGA芯片的开发工作。
给出逻辑方程如下： Q0=I0 + NOT（I1）× I2
I2 I 1
I0
Q1=NOT（I0）× I2
+NOT（I1）×I2
思考：如何实现？
Q2=NOT（I0）× I1
+NOT（I1）×I2 +NOT（I2）×I0
答案：此款芯片不能满足设计需要？
Q2
Q1
Q0
㈣. 通用阵列逻辑GAL
GAL器件与PAL器件具有相同的内部结构，但靠各种特性 组合而被区别。 GAL是美国晶格半导体公司（Lattice）为它的可编程逻 辑器件注册的专用商标名称。 输出逻辑宏单元OLMC（Output Logic Macro Cell）
《CPLD技术及应用》教学课件
33
② FLEX10K/ACEX1K
FLEX10K是98推出的2.5v的SRAM工艺 PLD（FPGA），从 3万门到25万门，主要有10K30E,10K50E,10K100E,带嵌入式 存储块（EAB） 10KE目前也已使用较少，逐渐被ACEX1K 和Cyclone取代。ACEX1K是2000年推出的2.5v低价格SRAM 工艺PLD，结构与10KE类似，带嵌入式存储块（EAB）部分 型号带PLL，主要有1K10,1K30,1K50,1K100。
③ Stratix
Altera最新一代SRAM工艺大规模FPGA，集成硬件乘加 器，芯片内部结构比Altera以前的产品有很大变化。
④ Cyclone（飓风）
Altera最新一代SRAM工艺中等规模FPGA，与Stratix结构类 似，是一种低成本FPGA系列，配置芯片也改用新的产品。
⑤ Stratix GX
如今，几乎所有公司的CPLD/FPGA器件均遵守IEEE 规范，为输入/输出引脚及专用配置引脚提供了边界 扫描测试BST（Boundary-Scan Interface）的能力。 与此类似的是DSP器件，如TI的TMS320系列DSP器 件均含JTAG口。
JTAG方法的原理
FPGA每个输入输出引脚都增加了一个移位寄存器，在测试 模式下，这些寄存器用来控制输出引脚的状态和读取输入引 脚的状态，从而完成了测试工作。
2.6 大规模PLD产品概述
Lattice公司的PLD器件 Altera公司的PLD器件 Xilinx公司的PLD器件
FPGA/CPLD比较/选择/产家
逻辑块粒度不同
FPGA逻辑单元粒度小，集成度高；CPLD逻辑块大。因此， FPGA集成度一般比CPLD高。
互连结构不同
CPLD是集总式的开关互连，延时相等。而FPGA是分 布式的，延时不可预测。
CPLD在系统编程
FPGA配置方式
在线配置 ：JTAG在线配置FPGA芯片
FPGA专用配置器件
使用单片机配置FPGA
使用CPLD配置FPGA
小节——ASIC技术
专用集成电路——专门限定的某一种或某几种特定功
能的产品或应用而设计的芯片。
基本资源
① 可编程单元 ② 输入/输出口
第2章 FPGA与CPLD的结构原理
主要内容
2.1 PLD 概述 2.2 简单PLD结构原理 2.3 CPLD 结构原理 2.4 FPGA的结构原理 2.5 硬件测试 2.6 大规模PLD产品概述 2.7 CPLD/FPGA的编程和配置
2.1 PLD概述
基本概念
可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）简 称PLD，是由“与”阵列和“或”阵列组成，能有 效的以“积之和”的形式实现布尔逻辑函数。
三种时钟输入模式 全局时钟信号 全局时钟信号由高电平有效的时钟信号使能 用乘积项实现一个阵列时钟
3. 扩展乘积项
4. 可编程连线阵列PIA
5. I/O控制块
5. 现场可编程门阵列——FPGA
FPGA——Field Programmable Gate Array
FPGA内部结构
可编程I/O
可编程单元
DSP Builder：QuartusII与Matlab的接口，利用IP核在Matlab中快 速完成数字信号处理的仿真和最终FPGA实现
主流芯片 ① MAX7000/MAX3000
5v/3.3vEEPROM工艺PLD（CPLD），是Altera公司销量 最大的产品，已生产5000万片，从32个到1024个宏单元。 MAX3000A是Altera公司99年推出的3.3v 低价格EEPROM 工艺PLD，从32个到512个宏单元，结构与MAX7000基本 一样。
Mercury的下一代产品，基于Stratix器件的架构，集成3.125G 高速传输接口，用于高性能高速系统设计。
⑥ Nois软处理器
Verilog编写的一个32位/16位可编程CPU核，可以集成到各 种FPGA中，Altera提供免费开发软件用于软件和硬件开发
代理商
Altera在中国地区代理商是骏龙科技和艾睿电子。
④ Web Fitter
一个免费的在线开发工具，无需安装，可以开发小规模CPLD。
主流芯片
① XC9500
Flash工艺PLD，分XC9500 5V器件、XC9500XL 3.3V器件和XC9500XV 2.5V器件。
② SPARTAN系列
中等规模SRAM工艺FPGA 。
③ Virtex/Virtex-E
采用SRAM工艺
2.5 硬件测试
内部逻辑测试 JTAG边界扫描 嵌入式逻辑分析仪
Altera 的 SignalTapⅡ Xilinx 的 ChipScope
边界扫描技术——JTAG
JTAG——Joint Test Action Group 联合测试行动小组 引言
随着微电子技术、微封装技术和印制板制造技术的不断发
基本类型
复杂类型
㈠. 可编程只读存储器PROM ㈡. 可编程逻辑阵列PLA ㈢. 可编程阵列逻辑PAL ㈣. 通用阵列逻辑GAL
CPLD/FPGA
2.2 简单PLD结构原理
2.2.1 逻辑元件符号表示
2.2 简单PLD结构原理
2.2.1 逻辑元件符号表示
2.2 简单PLD结构原理
㈠. 可编程只读存储器PROM
JTAG测试需要的5种信号
TCK：测试时钟，用来控制状态机和数据传送；
TMS：边界扫描工作模式；
TDI：测试数据输入，在TCK上升沿，接收串行数据； TDO：测试数据输出； TRST：测试复位，用于复位状态机。
边界扫描测试步骤
① 移位输入和译码指令
② 移位输入测试数据 ③ 执行测试 ④ 输出结果
大规模、超大规模集成电路、其性能已不能单凭器件本身 的电路结构评估，需要配备相应的软件才能形成一个整体。 软件如何录入“固化”进入器件？ 方法1：编程器（Programmer） 专用编程器和通用编程器 方法2：在系统编程ISP ISP——In System Programmable 通过几根编程线与计算机的并行口/串口相连，在专 门应用软件配合下，方便的实现程序下载。
大规模SRAM工艺FPGA。
④ SpartanIII
最新一代FPGA产品，结构与VirtexII类似，90nm工艺，已 于2004年量产。
代理商
Xilinx在中国地区代理商是盈丰Insight科技和AVNET（安富利)。
2.7 CPLD/FPGA的编程与配置
编程工艺：
基于点可擦除存储单元EEPROM或Flash技术。
生产工艺不同
CPLD一般是EEPROM工艺，FPGA则是采用SRAM工艺 的，因此，FPGA一般需要外挂配置芯片工作，而CPLD 则不要。
FPGA/CPLD选择
① 速度与性能 ② 逻辑利用率
③ 延时可预测性
④ 设计可更改性 ⑤ 配置芯片 ⑥ 功耗 ⑦ 价格/货源
FPGA/CPLD厂家
开发软件
展，印制电路板越来越小，密度和复杂程度越来越来高。
面对这样的发展趋势，如果仍沿用传统的外探针测试法和 “针床”夹具测试法来全面彻底的测试焊接在电路板上的
器件将是难以实现的。多层电路板以及采用贴片封装器件
的电路板，将更难以用传统的测试方法加以测试。
JTAG方法的提出
20世纪80年代，联合测试行动组开发了IEEE1149.1边 界扫描测试技术规范。该规范提供了有效的测试引线 间隔致密的电路板上零件的能力。
PROM内部结构为“与”阵列固定，“或”阵列可编 程。 2N输入组合
查表输出
㈡. 可编程逻辑阵列PLA
PLA内部结构为“与”、“或”阵列皆可编 程。 2N乘积线
编程输出
㈢. 可编程阵列逻辑PAL
PAL内部结构为“与”阵列可编程，“或”阵列固定。
2N乘积线
输出组合
《CPLD技术及应用》教学课件
应用实例
4. 复杂可编程逻辑器件——CPLD
CPLD——Complicated Programmable Logic Device
结构框图
LAB
LAB
I/O FB
LAB
PIA
LAB
I/O
组成
三大部分： I/O块，LAB（功能块）和PIA。
特点