第二章大规模可编程逻辑电路

1第二章大规模可编程逻辑器件§2.1可编程逻辑器件概述第二章大规模可编程逻辑器件§2.2PLD的种类及分类方法§2.5FPGA和CPLD的选用§2.4AlteraCycloneIV系列器件概述§2.3Altera可编程逻辑器件概述2§2.1可编程逻辑器件概述DOWNTOP物理实现：工艺相关抽象：符合思考习惯3可编程逻辑器件：PLD--ProgrammableLogicDevices：用户构造逻辑功能。传统数字系统由固定功能标准集成电路74/54系列、4000、4500系列构成。设计灵活性小,芯片种类多，数目大。现代数字系统仅由三种标准积木块构成：微处理器、存贮器和PLD。即CPU+RAM+PLD模式。PLD的是其中的桥梁。§2.1可编程逻辑器件概述4Example：Low-powerIntelIn-VehicleInfotainmentSystemInformationEntertainmentSystem:Internet,Music,Navigation,Game,DVD,Email,……§2.1可编程逻辑器件概述56§2.1可编程逻辑器件概述20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代至今PROM和PLA器件FPLA器件GAL器件FPGA器件EPLD器件CPLD器件内嵌复杂功能模块的SOCPLA器件780年代初：Lattice公司推出GAL_GenericArrayLogic(第二代）；70年代初：PROM、PLA_ProgrammableLogicArray（第一代）；70年代末：AMD公司推出PAL_ProgrammableArrayLogic§2.1可编程逻辑器件概述一、PLD的发展进程890年代初：Lattice公司提出ISP_InSystemProgramming概念，推出ispLSI。80年代中：Xilinx公司推出FPGA_FieldProgrammableGatesArray；Altera公司推出EPLD_ErasableProgrammableLogicDevice；近年PLD的发展：密度：单片达2000万系统门以上速度：达600MHz以上线宽：已达22nm，属甚深亚微米技术（VDSM—VeryDeepSubMicrometer）发展趋势：低成本，低功耗§2.1可编程逻辑器件概述9高集成度；高速度；高可靠；在系统编程（ISP_InSystemProgramming）PLD已占整个IC产值的40%以上。PLD的产量、集成度每年增加35%，成本降低40%。二、PLD产品的特点：§2.1可编程逻辑器件概述10§2.1可编程逻辑器件概述11§2.1可编程逻辑器件概述12§2.1可编程逻辑器件概述13§2.1可编程逻辑器件概述14§2.1可编程逻辑器件概述15§2.1可编程逻辑器件概述Altera公司的SOPC:Stratix/II/III/IV/V系列16Xilinx产品系列主要性能CLB/速度等级驱动能力最大用RAM宏单元（ns）（mA）户I/O（位）XC2000XC2018L1.0K~1.5K10017210474XC3000XC30905.0K~6.0K32092864144XC3100XC3195/A6.5K~7.5K48413200.98176XC4000XC4063EX62K~130K2304537621238473728XC5200XC521514K~18K484193648244XC6200XC626464K~100K16384163848512262KXC8100XC81098.1K~9.4K26881344124208XC7200XC7272A2.0K7212615872XC7300XC731443.8K144234724156XC9500XC952886.4K2882881024180系列代表产品可用门FF§2.1可编程逻辑器件概述17§2.1可编程逻辑器件概述18§2.1可编程逻辑器件概述19Xilinx公司的FPGA(SOC):Virtex-IV内部时钟≤550MHz等价逻辑单元≤330000DSP运行速率≤500MHzXilinx公司的FPGA(SOC):Virtex-IV片内RAM≤10Mb§2.1可编程逻辑器件概述20Lattice产品系列主要性能速度等级最大（ns）I/OispLSI1000/Eisp10488k1922885108ispLSI2000/E/Visp21928k1921926110ispLSI3000isp344820k32067212224ispLSI5000Visp5512V24k51238410384ispLSI6000isp619225k19241615159ispLSI8000isp884045k84011528.5312FF系列代表产品可用门宏单元§2.1可编程逻辑器件概述21PLD的最新进展：2007.3Altera发布65nm的高性能、低成本的FPGA：CycloneIII。2008.3Altera发布40nm的高性能、大容量的FPGA：StratixIV。2009.2Xilinx发布40nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-6，及45nm的高性能、低成本的FPGA：Spartan-6。2010.4Altera发布28nm的高性能、大容量的FPGA：StratixV。2010.6Xilinx发布28nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-7。§2.1可编程逻辑器件概述222010年2月23日可编程行业龙头Xilinx28纳米技术及架构发布为了达到绿色技术要求，大量产品在不惜一切努力降低功耗，在此关键时刻，FPGA产业转向采用28纳米工艺技术。FPGA只有满足低功耗和高性能的要求，才能成为片上系统(SOC)开发的理想选择。§2.1可编程逻辑器件概述PLD的最新进展：2010.4Altera发布28nm的高性能、大容量的FPGA：StratixV。2010.6Xilinx发布28nm的高性能、大容量的FPGA：Virtex-7。23§2.1可编程逻辑器件概述主流PLD厂商市场份额：241、从互连延时入手解决系统速度问题门延时：几百ns→不足2ns互连延时：相对门延时越来越大线宽互连延时占系统延时比例0.6um30%0.5um50%0.35um70%三、近年PLD的发展热点§2.1可编程逻辑器件概述251）ISP（In_SystemProgrammability/Programming）：是指对器件、电路板、整个电子系统进行逻辑重构和修改功能的能力。这种重构可以在制造之前、制造过程中、甚至在交付用户使用之后进行。传统PLD：先编程后装配；ISPPLD：可先编程后装配，也可先装配后编程。2、在系统可编程技术（ISP）§2.1可编程逻辑器件概述26§2.1可编程逻辑器件概述在系统可编程技术（ISP）27非ISP工艺流程从仓库提取器件进半成品库对器件编程贴标签提取特定器件焊接电路板电路板测试编程及电路板测试焊接电路板从仓库提取器件2）ISP技术简化生产流程比较：ISP技术对缩短生产周期，加快产品上市极为重要。ISP工艺流程§2.1可编程逻辑器件概述28设计设计修改方便，产品面市速度快，减少原材料成本，提高器件及板级的可测试性。制造减少制造成本，免去单独编程工序，免去重做印刷电路板的工作，大量减少库存，减少预处理成本，提高系统质量及可靠性。现场服务/支持提供现场系统重构或现场系统用户化的可能，提供遥控现场升级及维护的可能3）ISP技术的优越性§2.1可编程逻辑器件概述29现配置时间为几十-几百ms实时重配问题配置时间的极大缩短：硬件→软硬件→资源4）ISP的进一步发展：§2.1可编程逻辑器件概述30（I）输入或输出和（II）与门：输入变量反馈缓冲器都采称为输入项，输用互补输出结构出函数称为乘积项(ProductTerm)D=ABCPLD中常用的符号§2.2PLD的种类及分类方法31（III）或门：输出函数称为和项（SumTerm）G=A+B+C（IV）连接符号固定连接编程连接不连接PLD中常用的符号§2.2PLD的种类及分类方法固定连接编程连接32（V）编程控制的多路开关表示方法图中（a）和（b）是等效的，只是（b）省略了控制线，它们表示由用户编程确定输出是A还是B。图（c）表示编程控制的三选一多路器。PLD中常用的符号§2.2PLD的种类及分类方法33Example:可编程连接点§2.2PLD的种类及分类方法34PLA与PROM的比较0A1A1F0F2A2F0A1A1F0F2A2F与阵列可编程或阵列可编程或阵列可编程与阵列固定一、“与或阵列”§2.2PLD的种类及分类方法35PLD的生产厂家众多，产品名称各异，分类方法多样。常见的PLD产品：PROM、EPROM、EEPROM、PLA、FPLA、PAL、GAL、CPLD、EPLD、EEPLD、HDPLD、FPGA、pLSI、ispLSI、ispGAL、ispGDS等。§2.2PLD的种类及分类方法36低密度PLD：高密度PLD（HDPLD）：超过500门PLD低密度的PLD，如PLA、PROM、PAL、GAL高密度的PLD（HDPLD）1、根据器件密度分为：§2.2PLD的种类及分类方法37FPGA（FieldProgrammableGatesArray）CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）FPGA：内部互连结构由多种长度不同的连线资源组成，每次布线的延迟可不同，属统计型结构。逻辑单元主体为由随机静态存储器（SRAM）构成的函数发生器，即查找表。通过查找表可实现逻辑函数功能。采用SRAM工艺。2、根据器件互连结构、逻辑单元结构分为：§2.2PLD的种类及分类方法38含查找表的逻辑单元：（FPGA）§2.2PLD的种类及分类方法39二、“查找表”A0A1F0F10000101001101101用查找表完成半加器逻辑+++F0A0A10110+++F1A0A1100001110100AAFAAAAF40CPLD：内部互连结构由固定长度的连线资源组成，布线的延迟确定，属确定型结构。逻辑单元主要由“与或阵列”构成。该结构来自于典型的PAL、GAL器件的结构。采用EEPROM工艺。任意一个组合逻辑都可以用“与—或”表达式来描述，所以该“与—或阵列”结构能实现大量的组合逻辑功能。§2.2PLD的种类及分类方法41简单的“与或”阵列：（PAL、GAL、CPLD）积项线§2.2PLD的种类及分类方法42CPLD的逻辑单元：§2.2PLD的种类及分类方法43与阵列（固定）或阵列（可编程）0A1A1A1A0A0A1F0F用PROM完成半加器逻辑阵列01110100AAFAAAAFA0A1F0F10000101001101101一、“与或阵列”44CPLD和FPGA的主要区别：1）结构上的不同2）集成度的不同CPLD：500-50000门；FPGA：1K–10M门3）应用范围的不同CPLD逻辑能力强而寄存器少（1K左右），适用于控制密集型系统；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多（100多K），适于数据密集型系统。4）使用方法的不同§2.2PLD的种类及分类方法45一次性编程：PROM、PAL重复可编程：紫外线擦除：数十次；E2CMOS工艺：上千次；SRAM结构：上万次3、PLD根据可编程特性分为：4、PLD根据编程元件分为熔丝型开关；可编程低阻电路元件；EPROM；EEPROM；SRAM；§2.2PLD的种类及分类方法46FPGA和CPLD的区别定义FPGA现场可变成门阵列CPLD复杂可编程逻辑器件结构1、逻辑单元主体为由静态存储器（SRAM）构成的函数发生器，即查找表。2、内部采用不同长度的分段式互连结构内部延迟时间不固定。1、逻辑单元主要由“与或阵列”构成，采用EEPROM工艺。2、内部采用长度固定的连续式互连结构，内部延迟时间固定。集成度1K–100M门500-50000门应用范围FPGA逻辑能力较弱但寄存器多(100多K),适于数据密集