1、電子科學與工程學院電子科學與工程學院 課程內容課程內容一、一、PLD基礎基礎二、二、FPGA/CPLD結構與工作原理結構與工作原理三、三、FPGA/CPLD配置編程方法配置編程方法四、四、PLD選擇原則及選擇原則及供貨商供貨商PLD： Programmable Logic Devicel 20 20世紀世紀7070年代發展起來的新型邏輯器件，年代發展起來的新型邏輯器件，是一種是一種通用型通用型器件；器件；l 帶給數字系統設計革命性的變化。帶給數字系統設計革命性的變化。70年代年代80年代年代90年代年代PROM 和和PLA 器件器件PAL 器件器件GAL器件器件FPGA器件器件EPLD 器件器

2、件CPLD器件器件內嵌復雜內嵌復雜功能模塊功能模塊的的SOPC本世紀本世紀按編程技術 l 一次性編程l 可多次編程一次性編程采用熔絲工藝制造，在編程后不能修改。一次性編程器件不適合在數字系統的研制、開發和實驗階段使用。多次編程器件大多采用場效應管作為開關元件，采用EPROM、E2PROM、FLASH或SRAM制造工藝生成編程元件，實現器件的多次編程。按集成密度PLD低密度低密度PLD高密度高密度PLDPROMPLAPALGALEPLDCPLDFPGAl乘積項結構：乘積項結構：CPLDl查找表結構：查找表結構：FPGA輸入輸入緩沖緩沖電路電路與與陣陣列列或或陣陣列列輸出輸出緩沖緩沖電路電路輸輸入

3、入輸輸出出 PLD陣列線連接表示陣列線連接表示 固定連接固定連接可編程連接可編程連接可編程斷開可編程斷開 PLD的的互補輸入緩沖互補輸入緩沖ACBF=ABD PLD中與陣列表示中與陣列表示&ABCDPLD中中或陣列的表示或陣列的表示1AF=A+B+DB C D邏輯陣列結構邏輯陣列結構其邏輯函數是：其邏輯函數是：與陣列（不可編程）或陣列（可編程）0A1A1nA0W1W1pW0F1F1mFnp201,011, 111, 1101 ,011 , 111 , 1100,010, 110, 10WMWMWMFWMWMWMFWMWMWMFmmpmpmpppp用用PROM完成半加器邏輯陣列完成半加器

4、邏輯陣列01110100AAFAAAAF邏輯陣列示意圖邏輯陣列示意圖與 陣 列 （ 可 編 程 ）或 陣 列（ 可 編 程 ）0A1A1A1A0A0A1F0F邏輯陣列示意圖邏輯陣列示意圖0A1A1F0F0A1A1F0F PAL結構 PAL的常用表示Generic Array Logic GAL從結構上可分為兩類：一類是類似從結構上可分為兩類：一類是類似PAL結構，即結構，即“與與”陣列可編程而陣列可編程而“或或”陣列陣列固定，如固定，如GAL16V8、GAL20V8等；另一類類等；另一類類似似PLA結構，則結構，則“與與”陣列和陣列和“或或”陣列可同陣列可同時編程，如時編程，如LATTIC 公

5、司的公司的GAL39V8。輸出邏輯宏輸出邏輯宏單元單元OLMC與陣列與陣列 輸入緩輸入緩沖電路沖電路輸入時鐘輸入時鐘 類型類型與陣列與陣列或陣列或陣列輸出電路輸出電路PROM固定固定可編程可編程固定固定PLA可編程可編程可編程可編程固定固定PAL可編程可編程固定固定固定固定GAL可編程可編程固定固定可配置可配置 CPLD ： Complex Programmable Logic Device FPGA ： Field Programmable Gate Array l 是由是由GAL發展而來；發展而來；l 采用采用E2PROM（Electrical Erasable Programmable

6、ROM）工藝。）工藝。 PRNCLRNENA邏輯陣列全局清零共享邏輯擴 展 項清零時鐘清零選擇寄 存 器旁路并行擴 展 項通往 I/O模塊通往 PIA乘積項選擇矩陣來自 I/O引腳全局時鐘QDEN來自來自 PIA的的 36個信號個信號快速輸入選擇快速輸入選擇2多路選擇器DCBADCBADCBADCBAP數據數據1Lab 控制控制 3LE 輸出輸出進位鏈進位鏈級聯鏈級聯鏈查找表查找表 (LUT)清零和預置邏輯時鐘選擇進位輸入進位輸入級聯輸入級聯輸入進位輸出進位輸出級聯輸出級聯輸出Lab 控制控制 1CLRNDQ數據數據2數據數據3數據數據4Lab 控制控制 2Lab 控制控制 4輸 出時鐘DRA

7、M/ROM256x8512x41024x22048x1DDD寫 脈 沖電路輸 出 寬 度8,4,2,1 數 據 寬 度8,4,2,1地址寬度 8,9,10,11 寫使能輸 入時鐘l CPLD適合完成組合邏輯，適合完成組合邏輯，FPGA適合適合于完成時序邏輯。換句話說于完成時序邏輯。換句話說,FPGA更適合更適合于觸發器豐富的結構，而于觸發器豐富的結構，而CPLD更適合于更適合于觸發器有限而乘積項豐富的結構。觸發器有限而乘積項豐富的結構。l CPLD的連續式布線結構決定了它的時序的連續式布線結構決定了它的時序延遲是均勻的和可預測的，而延遲是均勻的和可預測的，而FPGA的分段的分段式布線結構決定了

8、其延遲的不可預測性。式布線結構決定了其延遲的不可預測性。l 在編程上在編程上FPGA比比CPLD具有更大的具有更大的靈活性，靈活性，CPLD通過修改具有固定內連通過修改具有固定內連電路的邏輯功能來編程，電路的邏輯功能來編程，FPGA主要通主要通過改變內部布線來編程。過改變內部布線來編程。l CPLD比比FPGA使用起來更方便。使用起來更方便。CPLD的編的編程采用程采用E2PROM或或FLASH技術，無需外部存儲技術，無需外部存儲器芯片，使用簡單。而器芯片，使用簡單。而FPGA的編程信息需存放的編程信息需存放在外部存儲器上，使用方法復雜。在外部存儲器上，使用方法復雜。l CPLD的速度比的速度

9、比FPGA快快,并且具有較大的時間并且具有較大的時間可預測性。這是由于可預測性。這是由于CPLD是邏輯塊級編程，并是邏輯塊級編程，并且其邏輯塊之間的互聯是集總式的；而且其邏輯塊之間的互聯是集總式的；而FPGA是是門級編程，并且門級編程，并且CLB之間采用分布式互聯。之間采用分布式互聯。l FPGA的集成度比的集成度比CPLD高，具有更復雜的布高，具有更復雜的布線結構和邏輯實現。線結構和邏輯實現。l CPLD保密性較好，保密性較好，FPGA保密性較差。保密性較差。l 一般情況下，一般情況下，CPLD的功耗要比的功耗要比FPGA大，且大，且集成度越高越明顯。集成度越高越明顯。傳統傳統現在現在l 印

10、制電路板越來越小，密度和復雜程度越印制電路板越來越小，密度和復雜程度越來越來高；來越來高；l 傳統的傳統的外探針測試法外探針測試法測試焊接在電路板上測試焊接在電路板上的器件難以實現。的器件難以實現。 20世紀世紀80年代，聯合測試行動組開發了年代，聯合測試行動組開發了IEEE1149.1邊界掃描測試技術規范。該規范提邊界掃描測試技術規范。該規范提供了有效的測試引線間隔致密的電路板上零件供了有效的測試引線間隔致密的電路板上零件的能力。的能力。每個每個IO引腳引腳都增加了一都增加了一個移位寄存個移位寄存器，這些寄器，這些寄存器用來控存器用來控制輸出引腳制輸出引腳的狀態和讀的狀態和讀取輸入引腳取輸入

11、引腳的狀態，從的狀態，從而完成了測而完成了測試工作。試工作。引腳引腳描述描述功能功能TDITDI測試數據輸入測試數據輸入測試指令和編程數據的串行輸入引腳，數據在測試指令和編程數據的串行輸入引腳，數據在 TCKTCK的上升的上升沿移入。沿移入。TDOTDO測試數據輸出測試數據輸出測試指令和編程數據的串行輸出引腳，數據在測試指令和編程數據的串行輸出引腳，數據在 TCKTCK的下降的下降沿移出。如果沒有數據移出，該引腳處于高阻狀態。沿移出。如果沒有數據移出，該引腳處于高阻狀態。TMSTMS測試模式選擇測試模式選擇 控制信號輸入引腳，負責控制信號輸入引腳，負責TAPTAP控制器的狀態轉換。控制器的狀態

12、轉換。TCKTCK測試時鐘輸入測試時鐘輸入 BSTBST電路的時鐘信號。電路的時鐘信號。TRSTTRST測試復位輸入測試復位輸入BSTBST電路的異步復位信號，低電平有效，在電路的異步復位信號，低電平有效，在IEEEIEEE規范中是規范中是可選的。可選的。l 具有最高的優先級；具有最高的優先級；l 不僅有不僅有測試測試功能，而且還有功能，而且還有在線編程在線編程（ISP）和）和邏輯分析邏輯分析功能。功能。l Spartan II-XC2S100為例為例l Stratix 系列系列FPGAl Cyclone 系列系列FPGAl ACEX 系列系列FPGAl FLEX 系列系列FPGAl MAX 系列系列CPLDl Virtex 系列系列FPGAl Spartan 器件系列器件系列l XC9500 & XC9500XL系列系列CPLDl 小型小型PLD當前還有哪些應用場合？當前還有哪些應用場合？ l CPLD發展趨勢怎樣？發展趨勢怎樣？ l CPLD和和FPGA的布線結構具體差別在的布線結構具體差別在什么地方？什么地方？人有了知識，就會具備各種分析能力，人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說古人說“書中自有黃金屋。書中自有黃金屋。”通過閱讀科技書籍，我們能豐富知識，通過閱讀