1、1第二章第二章 大規模可編程邏輯器件大規模可編程邏輯器件2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述第二章第二章 大規模可編程邏輯器件大規模可編程邏輯器件2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法2.5 FPGA2.5 FPGA和和CPLDCPLD的選用的選用2.4 Altera Cyclone IV 2.4 Altera Cyclone IV 系列器件概述系列器件概述2.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述22.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述DOWNTOP物理實現：物理實現：工藝相關工藝相關抽象：符合抽象：符合思

2、考習慣思考習慣3 傳統數字系統傳統數字系統 由固定功能標由固定功能標準集成電路準集成電路74/5474/54系系列、列、40004000、45004500系系列構成。設計靈活列構成。設計靈活性小性小, , 芯片種類多，芯片種類多，數目大。數目大。 現代數字系統現代數字系統 僅由三種標準積木塊僅由三種標準積木塊構成：微處理器、存貯器構成：微處理器、存貯器和和 PLDPLD。即。即 CPU+RAM+CPU+RAM+PLDPLD模式。模式。PLDPLD的是其中的是其中的橋梁。的橋梁。2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述4Information Entertainment System

3、: Internet, Music, Navigation, Game,DVD, Email, 2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述562.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述20世紀世紀70年代年代20世紀世紀80年代年代20世紀世紀90年代至今年代至今PROM 和和PLA 器件器件FPLA 器件器件GAL器件器件FPGA器件器件EPLD 器件器件CPLD器件器件內嵌復雜內嵌復雜功能模塊功能模塊的的SOCPLA 器件器件77070年代初：年代初：PROMPROM、 PLA_Programmable Logic ArrayPLA_Programmable Logic

4、 Array （第一代）；（第一代）；7070年代末：年代末：AMD AMD 公司推出公司推出PAL_Programmable PAL_Programmable Array Logic Array Logic2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述一、一、PLDPLD的發展進程的發展進程88080年代中：年代中：XilinxXilinx公司推出公司推出 FPGA_Field FPGA_Field Programmable Gates Array Programmable Gates Array； AlteraAltera公司推出公司推出EPLD_Erasable EPLD_Eras

5、able Programmable Logic Device Programmable Logic Device；近年近年 PLDPLD的發展：的發展： 密度：單片達密度：單片達20002000萬系統門以上萬系統門以上 速度：達速度：達600MHz600MHz以上以上 線寬：已達線寬：已達 22 nm22 nm，屬甚深亞微米技術，屬甚深亞微米技術 （VDSMVDSMVery Deep Sub MicrometerVery Deep Sub Micrometer）2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述9二、二、PLDPLD產品的特點：產品的特點：2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可

6、編程邏輯器件概述109.17.99/2Density Leadership1998 1999 2000 2001 2002VirtexXCV1000Density (system gates)10M GatesIn 2002Virtex-EXCV3200EVirtex Architecture Extends to 10 Million System Gates4M3M1M10MVirtex-II2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述112.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述122.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述132.1 2.1 可編程邏輯器件概

7、述可編程邏輯器件概述142.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述152.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述Altera公司的SOPC: Stratix / II/ III/IV/V系列16CLB/速度等級 驅動能力 最大用RAM宏單元（ns）（mA）戶I/O（位）XC2000XC2018L1.0K1.5K10017210474XC3000XC30905.0K6.0K32092864144XC3100XC3195/A6.5K7.5K48413200.98176XC4000XC4063EX62K130K2304537621238473728XC5200XC521514K1

8、8K484193648244XC6200XC626464K100K16384 163848512262KXC8100XC81098.1K9.4K26881344124208XC7200XC7272A2.0K7212615872XC7300XC731443.8K144234724156XC9500XC952886.4K2882881024180系列代表產品可用門FF2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述172.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述182.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述19Xilinx公司的公司的FPGA (SOC): Virtex-IV

9、 內部時鐘內部時鐘550MHz 等價邏輯單元等價邏輯單元330000 DSP DSP 運行速率運行速率 500MHz Xilinx公司的公司的FPGA (SOC): Virtex-IV 片內片內RAM 10RAM 10Mb2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述20速度等級最大（ns）I/OispLSI1000/Eisp10488k1922885108ispLSI2000/E/V isp21928k1921926110ispLSI3000isp344820k32067212224ispLSI5000Visp5512V 24k51238410384ispLSI6000isp61922

10、5k19241615159ispLSI8000isp884045k84011528.5312FF系列代表產品 可用門宏單元2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述21PLD 的最新進展：2007.3 Altera發布65 nm的高性能、低成本的FPGA：CycloneIII。2008.3 Altera發布40 nm的高性能、大容量的FPGA：Stratix IV。2009.2 Xilinx發布40 nm的高性能、大容量的FPGA： Virtex-6， 及45 nm的高性能、低成本的FPGA：Spartan-6。 2010.4 Altera發布28 nm的高性能、大容量的FPGA：S

11、tratix V。 2010.6 Xilinx發布28 nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-7。2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述222010 2010 年年 2 2 月月 23 23 日日可編程行業龍頭可編程行業龍頭Xilinx 28 Xilinx 28 納米技術及架構發布納米技術及架構發布為了達到綠色技術要求，大量產品在不惜一切努力為了達到綠色技術要求，大量產品在不惜一切努力降低功耗，在此關鍵時刻，降低功耗，在此關鍵時刻，FPGA FPGA 產業轉向采用產業轉向采用 28 28 納米工藝技術。納米工藝技術。FPGA FPGA 只有滿足低功耗和高性能的要只有滿足低

12、功耗和高性能的要求，才能成為片上系統求，才能成為片上系統 (SOC) (SOC) 開發的理想選擇。開發的理想選擇。 2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述PLD 的最新進展：2010.4 Altera發布28 nm的高性能、大容量的FPGA：Stratix V。2010.6 Xilinx發布28 nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-7。232.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述24線寬互連延時占系統延時比例0.6um30%0.5um50%0.35um70%三、近年三、近年 PLDPLD的發展熱點的發展熱點 2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概

13、述252 2、 在系統可編程技術（在系統可編程技術（ISPISP）2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述262.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述在系統可編程技術（在系統可編程技術（ISPISP）27從倉庫提取器件進半成品庫對器件編程貼標簽提取特定器件焊接電路板電路板測試編程及電路板測試焊接電路板從倉庫提取器件2 2）ISPISP技術簡化生產流程比較：技術簡化生產流程比較：ISPISP技術對縮短生產周期，加快產品上市極為重要。技術對縮短生產周期，加快產品上市極為重要。ISP工藝流程2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述28設計設計修改方便，產品面市速度

14、快，減少原材料成本，提高器件及板級的可測試性。制造減少制造成本，免去單獨編程工序，免去重做印刷電路板的工作，大量減少庫存，減少預處理成本，提高系統質量及可靠性。現場服務/支持提供現場系統重構或現場系統用戶化的可能，提供遙控現場升級及維護的可能2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述294 4）ISPISP的進一步發展：的進一步發展：2.1 2.1 可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述30D=ABCPLD中常用的符號中常用的符號2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法31G=A+B+C（IV）連接符號）連接符號固定連接固定連接編程連接編程連接不連接不連接PLD中常

15、用的符號中常用的符號2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法固定連接固定連接編程連接編程連接32圖中（圖中（a）和（）和（b）是等效的，只是（）是等效的，只是（b）省略了控制線，）省略了控制線，它們表示由用戶編程確定輸出是它們表示由用戶編程確定輸出是A還是還是B。圖（。圖（c）表示）表示編程控制的三選一多路器。編程控制的三選一多路器。PLD中常用的符號中常用的符號2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法33可編程連接點可編程連接點2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法34PLA與與 PROM的比較的比較0A1A1F0F2A2F0A1

16、A1F0F2A2F與陣列可編程與陣列可編程或陣列可編程或陣列可編程或陣列可編程或陣列可編程與陣列固定與陣列固定一、一、“與或陣列與或陣列”2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法352.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法36PLD低密度的PLD，如PLA、PROM、PAL、GAL高密度的PLD（HDPLD）1 1、根據器件密度分為：根據器件密度分為：2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法372 2、根據器件互連結構、邏輯單元結構分為：、根據器件互連結構、邏輯單元結構分為：2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法

17、382.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法39A0 A1F0 F1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1用查找表完成半加器邏輯用查找表完成半加器邏輯+F0A0A10110+F1A0A1100001110100AAFAAAAF400000010100000101161RAM輸入A輸入B輸入C輸入D查找表輸出多路選擇器四輸入查找表四輸入查找表412.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法42積積項項線線2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法43CPLDCPLD的邏輯單元：的邏輯單元：2.2 PLD2.2 PLD

18、的種類及分類方法的種類及分類方法44與 陣 列 （ 固 定 ）或 陣 列（ 可 編 程 ）0A1A1A1A0A0A1F0F用用PROM完成半加器邏輯陣列完成半加器邏輯陣列01110100AAFAAAAFA0 A1F0 F1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1451 1）結構上的不同）結構上的不同2 2）集成度的不同）集成度的不同 CPLDCPLD：500 - 50000500 - 50000門；門； FPGAFPGA：1K 1K 10 M 10 M 門門 3 3）應用范圍的不同）應用范圍的不同 CPLDCPLD邏輯能力強而寄存器少（邏輯能力強而寄存器少（1K1K左右

19、），左右）， 適用于適用于控制密集型系統控制密集型系統；FPGAFPGA邏輯能力較弱但邏輯能力較弱但 寄存器多（寄存器多（100100多多K K），適于），適于數據密集型系統數據密集型系統。4 4）使用方法的不同）使用方法的不同 2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法46 FPGA FPGA和和CPLDCPLD的區別的區別定義定義FPGA現場可變成門陣列現場可變成門陣列 CPLD復雜可編程邏輯器件復雜可編程邏輯器件 結構結構1 1、邏輯單元主體為由靜態、邏輯單元主體為由靜態存儲器（存儲器（SRAMSRAM）構成的函）構成的函數發生器，即查找表。數發生器，即查找表。2 2、

20、內部采用不同長度的、內部采用不同長度的分段式互連結構內部延遲分段式互連結構內部延遲時間不固定。時間不固定。1 1、邏輯單元主要由、邏輯單元主要由“與或與或陣列陣列”構成，采用構成，采用EEPROMEEPROM工工藝。藝。2 2、內部采用長度固定的連、內部采用長度固定的連續式互連結構，內部延遲時續式互連結構，內部延遲時間固定。間固定。集成集成度度 1K 1K 100 M 100 M 門門 500 - 50000 500 - 50000門門 應用應用 范圍范圍FPGAFPGA邏輯能力較弱但邏輯能力較弱但 寄存器多寄存器多(100(100多多K),K),適適于數據密集型系統于數據密集型系統CPLDC

21、PLD邏輯能力強而寄存器少邏輯能力強而寄存器少(1K(1K左右左右),),適用于控制適用于控制( (邏輯邏輯) )密集型系統密集型系統使用使用方法方法 需要外帶需要外帶ROMROM473 3、PLDPLD根據可編程特性分為：根據可編程特性分為：4 4、PLDPLD根據編程元件分為根據編程元件分為熔絲型開關；熔絲型開關；可編程低阻電路元件；可編程低阻電路元件；EPROMEPROM；EEPROMEEPROM；SRAMSRAM；2.2 PLD2.2 PLD的種類及分類方法的種類及分類方法482.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述一個二維的邏輯塊陣列，一個二維的邏

22、輯塊陣列，構成了構成了PLDPLD器件的邏輯核心器件的邏輯核心連接邏輯塊的互連資源，連接邏輯塊的互連資源，用于邏輯塊之間、邏輯塊用于邏輯塊之間、邏輯塊與輸入與輸入/ /輸出塊之間的連接輸出塊之間的連接49輸入/輸出塊互連資源邏輯塊(邏輯陣列）2.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述50CPLDCPLD的的基本邏基本邏輯單元輯單元如：如：EPM7128EPM71282.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述512.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述522.3 Altera2.3 Alter

23、a可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述MAXMAXIIMAX9000MAX7000MAX5000ClassicFLEXAPEX IIAPEX20KFLEX10KFLEX8000FLEX6000CPLDCycloneI, II, III, IV,VStratixI, II, III, IV,VFPGA高端高端頂尖的性能頂尖的性能頂尖的價格頂尖的價格功耗大功耗大FPGA中低端中低端成本低成本低功耗低功耗低性能不低性能不低FPGA早期早期532.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述MAXMAX VMAX IIMAX9000MAX7000MAX5000Classic

24、542.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述FLEXStratix VStratix IVCyclone IIIStratix IIICyclone IIStratix IICycloneStratixAPEX IIAPEX20KFLEX10KFLEX800055器件系列邏輯單元結構連線結構工藝APEX20K查找表連續SRAMFLEX10K查找表連續SRAMFLEX8000查找表連續SRAMFLEX6000查找表連續SRAMMAX9000乘積項連續EEPROMMAX7000乘積項連續EEPROMMAX5000乘積項連續EPROMClassic乘積項連續EPR

25、OM2.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述56器件系列用戶I/O引腳可用門APEX20K997801000001000000FLEX10K13557010000250000FLEX800078208250050000FLEX6000812181600024000MAX9000159216600012000MAX7000362126005000MAX500028100600375Classic22683009002.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯器件概述572.3 Altera2.3 Altera可編程邏輯器件概述可編程邏輯

26、器件概述582.4 Cyclone 2.4 Cyclone 系列器件概述系列器件概述59Cyclone 系列器件資源系列器件資源2.4 Cyclone 2.4 Cyclone 系列器件概述系列器件概述60邏輯陣列塊邏輯陣列塊(LAB)(LAB) 嵌入式陣列塊嵌入式陣列塊(EAB)(EAB) Fast TrackFast Track I/OI/O單元單元2.4 Cyclone 2.4 Cyclone 系列器件概述系列器件概述61 每個LAB包含16個LE 624輸入LUT可編程寄存器全局信號全局信號進位鏈進位鏈63Fast TrackFast Track組成：組成： 行連線帶、行連線帶、 列連線帶列連線帶 特點：特點： 快速、布線快速、布線 延遲可預測延遲可預測, , 靈活性稍差。靈活性稍差。64Xilinx XC4000Xilinx XC4000系列的布線資源系列的布線資源65（四）嵌入式陣列塊（四）嵌入式陣列塊EAB（Embedded Array Block） 每個每個M9K塊包含塊包含8192位（包含校驗位為位（包含校驗位為9216位）位） 每個塊包含一個獨立的讀和寫使能信號每個塊包含一個獨立的讀和寫使能信號2.4 Cyclone 2.4 Cyclone 系列器件概述系列器件概述EABEAB結構：結構：是個高密是個高密度存儲體，度存儲體，存儲的寬