可编程逻辑器件

信息工程学院武汉理工大学可编程逻辑器件开始结束主讲教师：吴友宇总目录第一章可编程逻辑器件(PLD)概述第二章Altera产品概述第三章FLEX10K器件的技术规范第四章FLEX6000器件系列第五章MAX7000系列器件的技术规范第六章Altera器件的边界扫描第一章可编程逻辑器件(PLD)概述可编程逻辑器件的发展历程和意义可编程逻辑与ASICFPGA/CPLDCAD技术PLD厂商及商品介绍1.可编程逻辑器件(PLD)概述可编程逻辑器件的发展历程早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器、紫外线可擦除只读存储器和电可擦除存储器.其后,出现可编程逻辑器件(PLD),它能够完成各种数字逻辑功能.在PAL的基础上,又发展了通用逻辑阵列(GAL),它的设计更加灵活.20世纪80年代中期Altera和Xilinx分别推出类似于PAL结构的扩展型EPLD和与标准门阵列类似的FPGA,它们体系结构和逻辑单元灵活,集成度高以及适用范围宽.可编程逻辑器件产生的意义它的推出给数字系统的设计带来了全新的概念，使得数字系统的设计变得更加方便、高效。随着计算机的普及和PLD器件价格的不断下降，使得普通用户开发和应用PLD器件成为现实。高密度PLD不仅可以实现系统级的电路集成，而且被看作是ASIC和ASSP的替代品可编程逻辑与ASIC可编程逻辑(PLD)是由用户编程实现所需逻辑功能的数字集成电路。可编程逻辑器件包括1)低密度。2)现场可编程门阵列(FPGA)。3)复杂的PLD(CPLD)。ASICCAD技术ASIC是相对于通用集成电路而言的，但两者没有明显的界限，仅仅是范围大小不同。ASIC可分为数字ASIC和模拟ASIC，数字ASIC可分为全定制和半定制.全定制是一种基于晶体管级的ASIC设计方法，设计人员使用版图编辑工具，从晶体管的版图尺寸，位置和互连线开始设计，以期实现ASIC芯片面积利用率高，速度快，功耗低的最优性能。但这种设计周期长，比较适合批量大ASIC芯片设计。半定制是一种约束性设计方法。半定制又可分为门阵列ASIC和标准半定制。门阵列方式是IC厂家事先生产了大批的半成品芯片，其内部成行等间距的排列着以门为基本单元的阵列——称之为母片，只剩一层或两层金属铝连线掩膜需要根据用户电路的不同而定制。标准单元方式是由IC厂家预先设计好一批具有一定功能的单元，这些单元以库的形式放在CAD工具中，它的结构符合一定的电气和物理标准，故称之为标准单元ASIC的特点降低了产品的综合成本提高了产品的可靠性提高了产品的保密程度和竞争能力降低了电子产品的功耗提高了电子产品的工作速度大大减小了电子产品的体积和重量半定制设计由于不需要涉及布局布线专业知识和经验，也使得设计人员都能够接受这种CAD技术ASIC的发展趋势向高密度，大规模的方向发展向系统内可重构的方向发展向低电压，低功耗的方向发展向可预测延时器件的方向发展。向混合可编程技术方向发展在电子系统中引入“软硬件”的全新概念和新一代电子系统极强的灵活性和适应性，为信号的处理和信息加工的实现提供了新的思路和方法。按照实现的途径不同，系统内重构可分为静态重构和动态重构两类。可编程ASIC的系统可重构特性近年在通信，航天，计算机硬件系统，程序控制，数字系统的测试诊断的方面获得较好的应用灵活的可编程性和时间使可编程ASIC产品能得以广泛的应用，当前的系统的系统中，数字系统有大的数据吞吐量，更多的图象处理，因而高速的系统时钟是必不可少。为了保证高速系统的稳定性，延时可预测性是十分重要的。因此，为了适应未来复杂的高速电子系统的要求，高速可预测也是一个发展趋势。电子系统的发展必须以电子器件为基础，但并不与之同步，往往系统的设计需求更快。因而随电子系统复杂度的提高，可编程ASIC器件的规模不断的扩大，从最初的几百门到现在的上百万门可编程ASIC特有的产品上市快以及硬件可重构特性为电子产品的开发带来了极大的方便，它的广泛应用使得电子系统的构成和设计方法均发生很大变化。在未来几年里这一局面将会有所改变，模拟电路及数模混合电路的可编程技术将得到发展集成技术的飞速发展，工艺水平的不断提高，节能潮流在全世界兴起，也为半导体工业提出了降低工作电压的发展方向FPGA/CPLDCAD技术FPGA(FieldprogrammablegatesArray)与CPLD(ComplexProgrammableLogicdevice)都是可编程逻辑器件。它们的规模比较大，适合于时序，组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。它们由三大部分组成一个二维的逻辑块阵列，构成了PLD的核心输入/输出块连接逻辑块的互连资源，连线资源由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的逻辑开关，它们用于逻辑块之间，逻辑块与输入/输出之间的连接。可编程逻辑器件结构示意图输入/输出单元互连资源逻辑块XilinxFPGA内部结构示意图水平布线通道垂直布线通道输入/输出块可构造逻辑块Xilinx目前有主流产品：XC2000系列、XC3000系列和XC4000系列AlteraCPLDAlteraCPLD器件可分为EPLD和FLEX产品系列EPLD包括有Classic.FLASHlogic.MAX5000\7000\9000系列FLEX包括FLEX10K/8000/6000系列...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC逻辑单元...IOCIOC...IOCIOC快速通道互连逻辑阵列块(LAB)Lattice公司的ispXP嵌入式系统可编程阵列在E²PROM芯片上的静态存储结构CPLD与FPGA在性能和功能上的差别布线能力。AlteraCPLD使用独特的内连线结构，与XilinxFPGA为有限的布线段相比，更适合电子系统设计自动化中的芯片设计的可编程验证。延迟可预测能力。AlteraCPLD的连续式分布结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的。与XilinxFPGA分段式布线结构导致的不可预测延迟相比，更加方便了电路设计人员设计电路。适用场合。AlteraCPLD适合于完成各类算法和组合逻辑，XilinxFPGA适合于完成时序较多的逻辑电路。ASIC与FPGA/CPLD进行电路设计的一般流程设计输入前仿真设计输入与编译设计输入的优化布局布线后仿真流片PLD厂商及产品介绍目前PLD的产品主要有：Xilinx公司的XC系列Altera公司的CPLD和CPLD系列TI公司的TPC系列和Lattice公司的ispLSI系列Xilinx公司XC4000可编程逻辑块多路选择器查找表一查找表查找表一状态状态G4DG3G2G1F1F2F3F4SERQGDSERQC1C2C3C4VCCQ2Q1F时钟XilinxXC4000系列的布线资源CLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLBCLB短线较短线长线...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCFLEX10K模块框图...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOC...IOCIOCEABEAB嵌入式阵列块FLEX10K系列逻辑单元的结构数据1Lab控制3通往局部阵列反馈端通往快速通道进位链级联链查找表(LUT)清零和预置逻辑时钟选择进位输入级联输入进位输出级联输出Lab控制1CLRNENADQ数据2数据3数据4Lab控制2全器件清零Lab控制4Lattice公司的系统综合1.商业和工业的温度范围2.回转的比率来控制一轮的弹跳和增加系统的速度3.模式管理功率Lattice公司的Isplsi5000结构第二章Altera产品概述Altera产品的特点。Altera的系列产品。MAXPLUSII开发工具。1.产品概述Altera的PLD在工业界是最快和最大的。他们提供的密度和速度接近于专用门阵列，并避免了高的前期成本和大的产品投入，增强了产品的竞争力。这些PLD也提供了高度的灵活性。Altera公司的CPLD系列产品的独特之处高密度在线配置功能高速度连续分布式结构Altera公司的特点Altera产品与CMOS逻辑产品CMOS逻辑标准逻辑可编程逻辑ASICSASSP其他标准逻辑简单PLDFPGACPLD门阵列标准单元全定制MAXMAX9000MAX7000MAX5000CLASSICFLEXFLEX10KFLEX8000FLEX6000分离逻辑、ASIC和PLD的性能指标指标速度集成度价格开发时间样品及仿真时间制造时间使用的难用程度库存风险开发工具的支持很好差较好Altera公司的PLD的优势高性能高集成度价格合理开发周期较短有利于在线编程性能与工艺结构有关。Altera公司的器件采用了延时最短的CMOS工艺制造。此外，器件的连续互连结构能提供快速，一致的信号延时，并通过改进片内电路来进一步提高系统性能Altera器件的集成度范围可达300—250000可用门，可以很容易的集成现有逻辑，这种高的集成度能力不仅能降低成本，而且能够提高系统的性能和可靠性。Altera公司的工艺技术和制造流程非常先进，它能提供价格最合理，性能最好的可编程逻辑器件。Altera的PLD价格相当于门阵列的价格使用MAX+PLUSII软件开发周期短Altera器件的开发周期设计概念设计输入设计处理设计仿真器件编程系统测试少于1h5-30min2h少于2minAltera器件的优化宏函数宏函数是流行的模块。它能实现像微处理器、数字信号处理、总线控制器和接口这样一些有用功能。使设计不会限定在固定功能器件中，其应用的对象是多种多样的。包括：DSP、图象处理、高速网络、总线通讯协议、微处理器和微外设。Altera宏函数是经过预先验证的HDL设计文件。Altera器件和开发工具支持Altera提供的宏函数，也支持由AMPP共同生产的的函数。Altera器件结构器件系列逻辑单元结构连线结构工艺用户I/O引脚可用门FLEX10K查找表连续SRAM135~57010000~25000FLEX8000查找表连续SRAM78~2082500~16000FLEX6000查找表连续SRAM81~21816000~24000MAX9000乘积项连续EEPROM159~2166000~12000MAX7000乘积项连续EEPROM36~356600~20000MAX5000乘积项连续EPROM28~100600~3750Classic乘积项连续EPROM22~68300~900Altera器件结构的演变过程全局连线可编程连线阵裂增强行可编程连线阵裂快速通道连接ClassicMAX5000FLEX10KFLEX8000FLEX6000MAX9000MAX70002.Altera的系列产品FLEX10K系列FLEX8000系列FLEX6000系列MAX9000系列MAX7000系列MAX5000系列FLEX10K系列FLEX10K器件系列首次采用嵌入式阵列，是在工业中最大的PLD（250000门）。该系列包括FLEX10A，FLEX10B和FLEX10E器件.每个FLEX10K器件都包含一个嵌入式阵列，它为设计者提供了有效的嵌入式门阵列和灵活的可编程逻辑。嵌入式阵列是由一系列嵌入式阵列块（EAB）组成的，它能够用来实现各种存储器和复杂逻辑功能。FLEX10K器件能够通过外部配置EPROM或集成控制器在电路中进行配置，该器件也提供多电压I/O接口操作，它允许器件桥架在以下不同电压工作的系统中其他的结构特点提供了为系统集成所需要的性能和效率。FLEX8000系列FLEX8000系列适合于需要大量寄存器和I/O引脚的应用系统。FLEX8000能够通过外部配置EPROM或集成控制器进行在线配置，并提供了多电压I/O接口操作，允许器件桥架在以不同电压工作的系统中。高性能，可预测速度的互连方式，使它们象基于乘积项的器件那样容易使用FLEX8000系列性能特点2084,0005046,0008,0