第4章ALTERA的CPLD与FPGA器件

第四章ALTERA的CPLD与FPGA器件中国矿大信电学院2008－10Altera公司简介Altera公司是世界上最大的专业CPLD/FPGA公司之一。Altera设计的PLD器件包括MAX/MAXⅡ系列CPLD（阵列型、EEPROM配置）、FLEX/ACEX/APEX系列FPGA（查找表技术、SRAM工艺）及Stratix/Cyclone、StratixⅡ/CycloneⅡ系列SOPC器件。MAX：指MultipleArrayMatrix，即多阵列矩阵。该类型器件采用E2PROM编程单元，属ISP或EPLD型CPLD。常用的Altera5000、7000、9000系列芯片都属于MAX型。FLEX：指FlexibleLogicElementMatrix,即灵活逻辑单元阵列。该类型器件采用SRAM编程单元，属无限次可改写、但断电后布线逻辑立即消失的FPGA器件。目前人们常用的Altera6000、8000、1K、10K、20K系列芯片都属于FLEX型。中国矿大信电学院2008－10提供新研究成果开发新产品及设计工具服务消费者Altera目标中国矿大信电学院2008－10设计工具高密度CMOS可编程逻辑器件知识产权（IP）可编程的解决方案中国矿大信电学院2008－10PLD器件分类中国矿大信电学院2008－104.1综述Altera器件性能特点Altera公司一直致力于高密度可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）的研发与生产。Altera的CPLD/FPGA器件具有良好的性能、极高的密度和非常大的灵活性,它通过高集成度、多I/O引脚及最快的速度为用户的各种需求提供有效的解决方案,极大地满足了用户对“可编程芯片系统”（SystemonaProgrammableChip）日益增长的需求。下图表示了Altera器件与CMOS器件的关系。中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10AlteraSOPC器件CycloneⅡ系列参数中国矿大信电学院2008－10Altera可编程器件除了具有PLD的一般特点外,还具有改进的结构、先进的处理技术、现代化的开发工具以及多种Mega功能选用等优点。1.高性能Altera器件采用先进的CMOS技术,具有非常低的功耗和相当高的速度;采用连续式互连结构,在整个芯片内提供快速、连续的信号延时;诸如对芯片内部电路的改进也增强了系统性能。中国矿大信电学院2008－102.高密度逻辑集成设计人员总是希望电子器件具有尽可能高的集成度,更强的功能、最小的功率消耗、更低的价格（成本）。这就需要把更多的逻辑集成到单一芯片上来。此外现有的设计也常需要进行二次开发或进行系统修改或升级。高集成度的CPLD/FPGA器件能为上述要求提供很好的解决方案。Altera器件的集成度从300门到超过1000万门,可用来设计、集成现有的各种逻辑器件,包括中、小规模及大规模标准逻辑器件、MCU、CPU、DSP及各种接口电路，直至实现单片系统（SOC）。3.较短的开发周期Altera的快速、直观、易于使用的QuartusⅡ和MAX+PLUSⅡ开发系统（软件）简单、易学，功能强大，能够有效的缩短用户的开发周期。使用QuartusⅡ或MAX+PLUSⅡ开发系统进行工程设计、编译处理、仿真校验以及对器件下载编程一般只需几分钟到几小时。下图展示了在MAX+PLUSⅡ环境下的一个典型的CPLD开发周期图，标出了设计一个1万门规模的逻辑系统所需要的典型时间。中国矿大信电学院2008－10用Altera器件设计1万门规模的逻辑系统所需要的典型时间。设计输入设计处理设计仿真器件编程设计思想系统测试少于一小时两分钟两小时少于两分钟中国矿大信电学院2008－104.高性能价格比Altera公司不断改进产品的开发与制造工艺,10多年积累的经验使其工艺技术及制造工艺达到业界领先,因此能够提供性价比合理的可编程逻辑器件。5.兆（Mega）功能模块Altera的CPLD/FPGA器件高达数百万门的集成度,使得在单个可编程器件中实现一个完整的数字系统成为可能。为了推进这种高集成度器件的应用,进一步缩短设计周期,Altera提供了兆功能模块并支持AMPP（AlteraMegafunctionPartnersProgram）功能。兆功能模块具有高度的灵活性及固定功能器件所不能达到的性能,可用来实现如高速有限冲击响应（FIR）滤波器、总线协议（PCI总线）、DSP、图像处理、高速网络通讯（包括异步传输方式（ATM））、微处理器及标准外设接口电路等。中国矿大信电学院2008－10作为复杂的系统级功能,Altera的兆功能模块是由预先验证过的硬件描述语言（HDL）设计的。兆功能模块应用范围包括从标准模块（如通用异步收/发器控制器UART）到利用PLD的特点改进的实例设计6.在系统可编程(ISP)Altera器件的在系统可编程性(ISP)提高了设计灵活性,简化了样品制做过程及流水线生产过程,并且可以对产品进行快速而有效的现场升级。Altera的ISP使用IEEE1149.1标准的JTAG测试端口,可以在一个独立的生产过程中对器件进行编程,并可以对在板（PCB板）器件进行功能测试。中国矿大信电学院2008－10Altera器件系列Altera公司目前提供了四大类十余个系列的CPLD产品:1、多阵列MAX9000、MAX7000、MAX5000、MAX3000和Classic系列;2、柔性(可更改)逻辑单元阵列FLEX10K、FLEX8000及FLEX6000系列;3、先进的可编程单元阵列APEX20K、ACEX1K系列。4、新一代SOPC器件：Stratix和Cyclone（飓风）FLEX器件采用查找表（LUT）结构来实现逻辑功能,MAX和Classic器件采用乘积项(Produc-Term/PT)结构来实现逻辑功能,而APEX器件采用集LUT、PT和存储于一体的多核结构来实现逻辑功能。每种器件系列针对具体的应用都有各自的特点。下面是Altera器件的性能对照表。中国矿大信电学院2008－10Altera器件性能对照表中国矿大信电学院2008－10图AlteraCPLD结构演变示意图所有的Altera器件系列均采用CMOS工艺,其中一些系列经过不断地改进,已采用了更为先进的工艺技术。下图归纳了Altera器件的结构,这些结构保证了器件在各种集成度下都能够保持高性能。中国矿大信电学院2008－10MAX7000系列器件包含：MAX7000SMAX7000AEMAX7000B系列器件中国矿大信电学院2008－10MAX7000S主要特征MAX7000S主要特征：●基于Altera的MAX架构的CPLD器件●32－256宏单元●600－5,000可用门●每个宏单元可支持多达32个乘积项输出●EEPROM编程配置●可设置加密位●支持不同的核心工作电压(5V)与I/O接口电压(3.3V)●支持漏级开路输出●通过标准的JTAG接口实现在系统编程(ISP)中国矿大信电学院2008－10器件各部分编号解释EPM7128STC100-7●EPM=家族标识(可擦除可编程MAX器件）●7128S=器件类型(128=单元数量)●T=封装类型(L=PLCC,T=TQFP...)●C=使用环境(商业Commercial,工业Industrial)●100=引脚数量(numberofpinsonthepackage)●-7=速度级别(ns)●速度级别后可能还有后缀(作为特殊器件的特征)再举一例:●EPM7064SLC44-5•是使用在商业环境、44引脚、PLCC封装、速度级别是5ns的CPLD器件。中国矿大信电学院2008－10MAX7000S系列器件与封装形式PLCC封装：塑料有引线芯片载体封装，(PlasticLeadedChipCarrier)PQFP封装：塑料方型扁平封装(PlasticQuadFlatPackage)TQFP封装：小型方型扁平封装(TinyQuadFlatPackage)BGA封装：球栅阵列封装(BallGridArrayPackage)中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10AlteraMAX7000器件术语逻辑阵列块(LAB)●一组逻辑单元●每个LAB包含16个宏单元宏单元（Macrocell）●器件的基本构造块●等同于logiccell(这个术语用来描述任一个Altera器件基本构造块)可编程互联阵列(PIA)●提供信号互相传递的通道（路径）I/O控制块(I/OB)●对MAX7000系列器件的引脚按设计的需求进行编程配置。●例如将引脚设置为输入、输出、漏极开路、摆率控制、多电压I/O接口（Multivolt）等等。中国矿大信电学院2008－10MAX7000S/AE/BLABGCLK1GCLk2OE1GCLRnPIAI/OControlBlockI/OControlBlock6to12I/Opins6to12I/OpinsMacrocells1to8Macrocells9to16LABA6to1216366to12Macrocells33to40Macrocells41to48LABC6to1216366to12I/OControlBlockI/OControlBlock6to12I/Opins6to12I/OpinsMacrocells49to56Macrocells57to64LABD6to1216366to12Macrocells17to24Macrocells25to32LABB6to1216366to126to126to126to126to126OutputEnables6OutputEnables66中国矿大信电学院2008－10MAX7000S/AE/B宏单元GlobalClockGlobalClear36ProgrammableInterconnectSignals16ExpanderProductTermstoI/OControlBlock7000hastwoGlobalClockProduct-TermSelectMatrixVCCDENAPRnCLRnQClearSelectClock/EnableSelectRegisterBypassSharedLogicExpandersParallelLogicExpanders(fromotherMCs)toPIAProgrammableRegister中国矿大信电学院2008－10中国矿大信电学院2008－10MAX7000I/OB的功能MAX7000系列器件的输出可以根据系统的各种需求进行编程配置。1)多电压（Multivolt）I/O接口MAX7000系列器件（除了44引脚的器件外）具有多电压接口的特性,也就是说,MAX7000可以与不同电源电压的系统接口。所有封装中的5V器件都可以将I/O设置在3.3V或5.0V下工作。这些器件设有VCCINT和VCCIO等两组VCC引脚,它们分别用于内部电路和输入缓冲器及I/O输出缓冲器,如下图所示。中国矿大信电学院2008－10MAX7000S/E多电压接口逻辑VCCIOGNDIOVCCIOGNDIOCoreVCCINTGNDINT兼容2.5V、3.3V和5.0V输入内核电路运行在3.3V输出限制在VCCIO中国矿大信电学院2008－10非MAX7000A器件的MAX7000系列器件的VCCINT引脚必须始终接到5.0V电源。在这个VCCINT电平下,输入电压是TTL电平并同3.3V和5.0V输入兼容。根据输出的要求,VCCIO引脚可连到3.3V或5.0V电源。当VCCIO接5.0V电源时,输出电平和5.0V系统兼容;当VCCIO接3.