集成电子技术基础教程 第二篇第5章(13-1)

集成电子技术基础教程LDC集成电子技术基础教程2003~2004学年第1学期自动化(控制系)0101~0103班集成电子技术基础教程LDC第二篇数字电路和系统第五章大规模数字集成电路集成电子技术基础教程LDC2.5.3高密度可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件的主要特点实现“硬件软化”—逻辑功能可以编程实现可以实现“系统芯片化”，性能价格比高工作速度很高，比微处理器系统速度快开发周期短专用集成电路ASIC标准单元（StandardCell）型宏单元（MacroCell）型门阵列（GateArray）型可编程逻辑器件PLD集成电子技术基础教程LDC一、高密度可编程逻辑器件的结构I/O单元BLB块I/O单元I/O单元I/O单元BLB块互连资源互连资源·········PAL和GAL属于低密度PLD，结构较为固定，不同厂商的同一型号通常可以互换。对于高密度PLD，各厂商的产品结构不尽相同，通常不能互换，但有共性之处。高密度PLD的基本结构集成电子技术基础教程LDCI/O单元引脚数：44只以上，有的甚至高达560只；少数为专用输入引脚（电源、编程引脚、时钟和专用信号），其余都是I/O引脚（可编程）；I/O单元包括输入/输出寄存器、三态门、多路选择器、输出摆率控制电路，边界扫描电路等。基本逻辑单元块BLB器件内部实现逻辑功能最小单位，有各种称谓Lattice：通用逻辑阵列块GLB(GenericLogicBlock)Altera：逻辑元素LE(LogicElement)Xilinx：可配置逻辑块CLB(ConfigurableLogicBlock)集成电子技术基础教程LDC基本逻辑单元块的规模大小（或粒度的粗细）对整个高密度PLD器件的结构有很大的影响。规模大，设计方便，但器件资源利用率不易控制，利用率通常较低。规模小，设计灵活性大，资源利用率高，但设计更加复杂。可编程互连资源PIPI的功能主要是将各基本逻辑单元块描述的局部逻辑功能相互连在一起，构成一个完整的数字系统PI的设计实际上十分复杂，设计好坏直接影响PLD器件的设计效率和工作稳定性。集成电子技术基础教程LDC二、高密度可编程逻辑器件的分类编程工艺分熔丝型/反熔丝工艺UVEPROM工艺E2PROM或FlashMemory工艺SRAM编程工艺编程方式分ISP方式ICR方式硬件编程器编程方式器件结构分CPLD器件FPGA器件常见名称EPLDHDPLDispPLDCPLDFPGA集成电子技术基础教程LDCBLBBLBBLBBLB···BLBBLBBLBBLB···连线资源BLBBLBBLBBLB··············BLBBLB规模较大BLB规模较小连线资源在各大块和I/O单元之间连线资源在行列两个方向分布编程常采用E2PROM或FlashMemory工艺编程常采用SRAM工艺CPLD结构FPGA结构CPLD和FPGA器件结构比较集成电子技术基础教程LDC2.5.4在系统可编程逻辑器件ISP技术最先由Lattice公司提出器件内部包含编程电路，通常编程电源为+5V（器件内部含升压电路）器件可先安装后调试，编程软件通过编程引脚对器件进行在线编程集成电子技术基础教程LDC一、ispLSI1016结构1.总体结构由2个宏块、1个GRP、1个时钟分配网络组成。集成电子技术基础教程LDCispLSI1016内部的信号流I/O引脚来的输入信号经过输入总线后进入全布线区，然后由GRP统一调度，将信号分配给具体的通用逻辑块GLB；专用输入引脚来的输入信号不经过GRP，直接进入各自所属宏块的GLB之中；系统的逻辑功能主要在各个GLB内实现；各GLB的输出可以反馈回全局布线区，也可经过输出布线区后分配给具体的I/O引脚；系统所需的时钟信号由时钟分配网络产生；编程引脚共5个。集成电子技术基础教程LDC2.GLB结构分析由与阵列、乘积项共享阵列、可重构寄存器和控制功能部件等4部分组成。集成电子技术基础教程LDC与阵列共18个输入信号其中16个来自全局布线区（I/O引脚或GLB输出反馈信号）另2个是专用输入信号可产生20个乘积项PT0~PT19乘积项共享阵列PTSAPTSA包括4个或门和共享阵列，其中4个或门构成或阵列。GLB可配置成4种单一组态（指输出O3、O2、O1、O0的组态相同）4个或门输出经过共享阵列再分配给GLB输出集成电子技术基础教程LDC单一组态下的乘积项共享矩阵表O3O2O1O0O3O2O1O0O3O2O1O0O3O3O2O2O1O1O0O00●◎◎◎●●1●◎◎◎●●◎◎◎2●◎◎◎●●◎◎◎3●◎◎◎●●◎◎◎4◎●◎◎●●5◎●◎◎●◎●◎◎6◎●◎◎●◎●◎◎7◎●◎◎●◎●◎◎8◎◎●◎●●9◎◎●◎●◎◎●◎10◎◎●◎●◎◎●◎11◎◎●◎●◎◎●◎12◎◎●◎＋CLK/Reset13◎◎◎●●●14◎◎◎●●◎◎◎●15◎◎◎●●◎◎◎●16◎◎◎●●◎◎◎●17◎◎◎●◎◎◎●18◎◎◎●◎◎◎●19◎◎◎●◎◎◎●＋OE/Reset●●●●乘积项PT标准组态四乘积项组态单乘积项组态异或因子输出组态●表示或门的乘积项；◎表示共享乘积项。集成电子技术基础教程LDCGLB混合组态下的电路结构O0为标准乘积项共享组态O1为单乘积项共享组态O2为四路乘积项共享组态O3为异或因子输出组态集成电子技术基础教程LDC可重构触发器部分由4只D触发器和4个异或门组成可以设置组合输出或时序输出控制功能部分GLB的控制信号包括时钟信号、复位信号、输出使能信号GLB与阵列中的乘积项PT12和PT19可以功能复用触发器的复位信号由全局复位信号和PT12提供集成电子技术基础教程LDC3.I/O单元分析MUXMUXMUXMUXMUXMUXI/OPINDQR/LRVCC输出使能来自使能选择器ORP输出GLB直通输出进入GRPIOCLK0IOCLK1来自全局清零端电路结构集成电子技术基础教程LDCI/O单元的各种配置Pin(a)输入缓冲单元Pin(b)输出缓冲单元(c)双向I/O单元I/OPin(e)输出反向缓冲单元Pin(g)带三态使能的输出缓冲单元(d)锁存输入单元DQLEPinIOCLK(f)寄存器输入单元DQPinIOCLK(h)带寄存器输入的双向I/O单元DQI/OIOCLK集成电子技术基础教程LDC4.可编程连线资源集总布线区GRP输入布线区输出布线区ORP由集总布线区GRP、输入布线区和输出布线区ORP组成。连线特点是输入输出延时恒定且可预测使GLB的输出信号与其它GLB的输入相连使I/O信号可以输入到任何一个GLB中实现I/O单元的输入信号与集总布线区相连使GLB的输出可以与16个I/O单元中的任一个相连，给芯片引脚锁定带来了极大的灵活性。集成电子技术基础教程LDCORP的电路结构01230123012301230123012301230123A0A1A2A3A4A5A6A7I/OI/O01I/OI/O23I/OI/O45I/OI/O67I/OI/O89I/OI/O1011I/OI/O1213I/OI/O141516ORP至GRPGLB的输出和I/O单元之间还有一条直通路径，部分GLB的输出可以与I/O单元直接相连，减少时延。集成电子技术基础教程LDC5.时钟分配网络集成电子技术基础教程LDC二、在系统可编程逻辑器件的编程菊花型编程集成电子技术基础教程LDC2.5.5现场可编程门阵列FPGA采用SRAM编程工艺基本结构与门阵列相似，称为逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）。一、SRAM实现逻辑函数的原理1.配置用SRAM存储单元QQ读/写控制数据配置控制Xilinx公司的配置存储器集成电子技术基础教程LDC2.SRAM单元控制的多路选择器D11C10B01A00ZM1M0集成电子技术基础教程LDC3.SRAM控制的逻辑函数发生器集成电子技术基础教程LDC二、LCA的总体结构集成电子技术基础教程LDC三、FPGA的内部结构和特点XC4000E可配置逻辑块CLB集成电子技术基础教程LDC快速进位电路CLB之间的进位链集成电子技术基础教程LDCCLB配置片内RAMC4..C1WEECMUXG'4DINEN4MUXF'4DINEN44G4..G1F4..F1D1D016选1写译码16线锁存阵列读地址16选1写译码16线锁存阵列读地址集成电子技术基础教程LDCIOB单元集成电子技术基础教程LDC可编程开关矩阵PSM可编程互连资源PI可编程连接点可编程开关矩阵PSM(ProgrammableSwitchMatrix)各种金属导线可编程连接点集成电子技术基础教程LDC金属导线单长线双长线长线全局连线进位链线总数垂直8464224水平8460018集成电子技术基础教程LDCXC4000E系列器件的可配置连线资源集成电子技术基础教程LDC四、FPGA器件的配置配置模式M2M1M0时钟状态备注主动串行模式000输出串行位主动并行模式(上行)100输出并行字节，地址从最低开始主动并行模式(下行)110输出并行字节，地址从最高开始从动串行模式111输入串行位外设同步模式011输入并行字节外设异步模式101输出并行字节集成电子技术基础教程LDC主动模式主动串行配置模式主动并行配置模式集成电子技术基础教程LDC串行从模式串行从动配置模式外设模式外设同步配置模式集成电子技术基础教程LDC...控制电路输入电路输出电路受控电路N受控电路1时基电路2.5.6应用PLD器件实现数字系统数字系统的模型集成电子技术基础教程LDC设计数字系统的一般流程明确设计要求，确定系统的输入/输出确定设计算法确定核心器件数字系统的模块分割数字系统的设计集成电子技术基础教程LDC控制算法的描述方法逻辑流程图描述法助记状态图MDS描述法算法状态机ASM(ArithmaticStateMachine)描述法寄存器传输语言RTL(RegistryTransferLanguage)硬件语言HDL描述法集成电子技术基础教程LDC算法状态机ASM描述Moore型输出状态名状态框Mealy型输出条件输出框判别框01输入信号集成电子技术基础教程LDC【例】交通灯控制电路的设计设计要求每车道信号灯有红、黄、绿三只。红灯表示禁止通行；绿灯允许通行；黄灯为通、停状态转换指示；当两车道均有车辆或均无车辆等待通过时，两车道轮流通行。其中，主车道通行时间为60秒，副车道通行时间为30秒；当只有一个车道有车等待通过时，此车道绿灯常亮，另一车道则红灯常亮；每车道信号灯由绿灯变成红灯时，黄灯应先亮4秒，以保证原通行方向的车辆有足够的时间驶过交叉路口（在此期间另一车道仍为红灯）；各车道的状态不仅要有红、黄、绿灯指示，还需有倒计时的通行时间显示。集成电子技术基础教程LDC交通灯控制电路的模型框图集成电子技术基础教程LDC定时器的设计选用周期为1秒的时钟源时，为了能对60秒、30秒和4秒分别进行倒计时，只需设计一个可变模数减法计数器减法计数器的源文件：略集成电子技术基础教程LDC控制电路算法的ASM图描述集成电子技术基础教程LDC编写仿真测试矢量简单地模拟了三种传感器的输入信号，包括：主车道有车等待、副车道无车等待的时间为40个时钟周期；紧接着主车道无车等待、副车道有车等待的时间也为40个时钟周期；最后为主、副车道均有车等待的时间为100个时钟周期。集成电子技术基础教程LDC仿真波形GB集成电子技术基础教程LDC