第三章FPGA结构与配置.ppt
EDA技术与VHDL语言,第3章 FPGACPLD结构与应用,电信学院 张沛泓,EDA技术与VHDL语言,教学目的及要求,本章主要介绍几类常用的大规模可编程逻辑器件的结构和工作原理，对CPLD的乘积项原理和FPGA的查找表原理分别进行了剖析。 通过对本章的学习，要求大家掌握FPGA/CPLD的结构和工作原理。,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,教学重点： CPLD的结构和工作原理 FPGA的结构和工作原理,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,概述,简单PLD原理,CPLD结构与工作原理,1,2,3,FPGA结构与工作原理,4,FPGA/CPLD产品概述,5,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,3.1 概述,基本PLD器件的原理结构图,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,3.1 概述,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.1.1 可编程逻辑器件的发展历程,可编程逻辑器件（PLD）诞生于20世纪70年代，80年代以后迅速发展。 自问世以来，PLD经历了PROM、PLA、PAL、GAL到FPGA、ispLSI等高密度PLD的发展过程。,Programmable Read Only Memory,可编程只读存储器,Programmable Logic Array,可编程逻辑阵列,Programmable Array Logic,可编程阵列逻辑,Generic Array Logic, 通用阵列逻辑,in system programmable Large Scale IC,在系统可编程大规模集成电路,EDA技术与VHDL语言,3.1 概述,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.1.1 可编程逻辑器件的发展历程,70年代,80年代,90年代,PROM 和PLA 器件,改进的 PLA 器件,GAL器件,FPGA器件,EPLD 器件,CPLD器件,内嵌复杂 功能模块 的SoPC,EDA技术与VHDL语言,3.1 概述,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.1.1 可编程逻辑器件的发展历程,3.1.2 可编程逻辑器件的分类,(1) 按集成度(PLD)分类,EDA技术与VHDL语言,3.1 概述,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.1.1 可编程逻辑器件的发展历程,3.1.2 可编程逻辑器件的分类,(1) 按集成度(PLD)分类,(2) 从可编程特性上分类,一次可编程：典型产品是PROM、PAL和熔丝型FPGA。,重复可编程：用紫外线擦除的产品的编程次数一般在几十次的量级，采用电擦除方式的产品的编程的次数稍多些，采用E2CMOS工艺的产品，擦写次数可达上千次，而采用 SRAM(静态随机存取存储器)结构，则被认为可实现无限次的编程。,EDA技术与VHDL语言,3.1 概述,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.1.1 可编程逻辑器件的发展历程,3.1.2 可编程逻辑器件的分类,(1) 按集成度(PLD)分类,(2) 从可编程特性上分类,(3)从可编程器件的编程工艺上分类,熔丝(Fuse)型器件：一次可编程，要求大电流。 反熔丝型器件：一次可编程。 EPROM型：紫外线擦除电可编程，要求较高电压，多次可编程。 EEPROM型：电可擦写编程器件，现有的大部分CPLD和GAL器件都采用此种结构。 SRAM型： SRAM查找表(LUT)结构的器件。大部分FPGA器件都采用此种编程工艺。此种方式在编程速度和要求上优于前四种。 Flash型：多次可编程，掉电后不需重新配置。,EDA技术与VHDL语言,概述,简单PLD原理,CPLD结构与工作原理,1,2,3,FPGA结构与工作原理,4,FPGA/CPLD产品概述,5,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,常用逻辑门符号与现有国标符号的对照,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,PLD的互补缓冲器,PLD的互补输入,PLD中与阵列表示,PLD中或阵列的表示,阵列线连接表示,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,PROM基本结构,其行选择逻辑函数是：,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,PROM的逻辑阵列结构,输出逻辑函数表示：,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,PROM表达的PLD图阵列,用PROM完成半加器逻辑阵列,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,PLA逻辑阵列示意图,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,PLA与 PROM的比较,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,3.2.4 PAL,PAL结构,PAL的常用表示,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,3.2.4 PAL,一种PAL16V8的部分结构图,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,3.2.4 PAL,3.2.5 GAL,GAL： General Array Logic Device 最多有8个或项，每个或项最多有32个与项,乘积项逻辑,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,3.2.4 PAL,3.2.5 GAL,逻辑宏单元,输入/输出口,输入口,时钟信 号输入,三态控制,可编程与阵列,固定或阵列,GAL16V8,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,3.2.4 PAL,3.2.5 GAL,OLMC的工作模式：,（1）寄存器模式,寄存器输出结构,寄存器模式组合双向输出结构,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,3.2.4 PAL,3.2.5 GAL,OLMC的工作模式：,（1）寄存器模式,（2）复合模式,组合输出双向结构,复合型组合输出结构,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,3.2.4 PAL,3.2.5 GAL,OLMC的工作模式：,（1）寄存器模式,（2）复合模式,（3）简单模式,反馈输入结构,输出反馈结构,EDA技术与VHDL语言,3.2 简单PLD原理,3.2.1 电路符号表示,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.2.2 PROM,3.2.3 PLA,3.2.4 PAL,3.2.5 GAL,OLMC的工作模式：,（1）寄存器模式,（2）复合模式,（3）简单模式,简单模式输出结构,EDA技术与VHDL语言,概述,简单PLD原理,CPLD结构与工作原理,1,2,3,FPGA结构与工作原理,4,FPGA/CPLD产品概述,5,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,3.3 CPLD结构与工作原理,MAX7000系列的单个宏单元结构,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,3.3 CPLD结构与工作原理,第3章 FPGACPLD结构与应用,(1) 逻辑阵列块(LAB),MAX7128S 的结构,EDA技术与VHDL语言,3.3 CPLD结构与工作原理,第3章 FPGACPLD结构与应用,(1) 逻辑阵列块(LAB),(2) 宏单元,(3) 扩展乘积项,共享扩展乘积项结构,EDA技术与VHDL语言,3.3 CPLD结构与工作原理,第3章 FPGACPLD结构与应用,(1) 逻辑阵列块(LAB),(2) 宏单元,(3) 扩展乘积项,并联扩展项馈送方式,EDA技术与VHDL语言,3.3 CPLD结构与工作原理,第3章 FPGACPLD结构与应用,(1) 逻辑阵列块(LAB),(2) 宏单元,(3) 扩展乘积项,(4) 可编程连线阵列,不同的LAB通过在可编程连线阵列(PIA)上布线，以相互连接构成所需的逻辑。,PIA信号布线到LAB的方式,EDA技术与VHDL语言,3.3 CPLD结构与工作原理,第3章 FPGACPLD结构与应用,(1) 逻辑阵列块(LAB),(2) 宏单元,(3) 扩展乘积项,(4) 可编程连线阵列,不同的LAB通过在可编程连线阵列(PIA)上布线，以相互连接构成所需的逻辑。,PIA信号布线到LAB的方式,EDA技术与VHDL语言,3.3 CPLD结构与工作原理,第3章 FPGACPLD结构与应用,(1) 逻辑阵列块(LAB),(2) 宏单元,(3) 扩展乘积项,(4) 可编程连线阵列,(5)I/O控制块,EPM7128S器件的I/O控制块,EDA技术与VHDL语言,概述,简单PLD原理,CPLD结构与工作原理,1,2,3,FPGA结构与工作原理,4,FPGA/CPLD产品概述,5,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,FPGA查找表单元内部结构,FPGA查找表单元,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,逻辑单元,快速通道互连,逻辑阵列块 (LAB),嵌入式 阵列块,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,进位链连通LAB中的所有LE,快速加法器, 比较器和计数器,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,进位链连通LAB中的所有LE,级联链中两种不同的级联方式,“与”级联链,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,进位链连通LAB中的所有LE,级联链中两种不同的级联方式,“或”级联链,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,(2) 逻辑阵列块LAB,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,(2) 逻辑阵列块LAB,(3) 快速通道(FastTrack),连续布线 = 每次设计重复的可预测性和高性能,连续式布线,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,(2) 逻辑阵列块LAB,(3) 快速通道(FastTrack),连续式布线,分布式布线,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,(2) 逻辑阵列块LAB,(3) 快速通道(FastTrack),(4) I/O单元与专用输入端口,EDA技术与VHDL语言,3.4 FPGA结构与工作原理,3.4.1 查找表,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.4.2 FLEX10K系列器件,(1) 逻辑单元LE,(2) 逻辑阵列块LAB,(3) 快速通道(FastTrack),(4) I/O单元与专用输入端口,(5) 嵌入式阵列块EAB,EDA技术与VHDL语言,概述,简单PLD原理,CPLD结构与工作原理,1,2,3,FPGA结构与工作原理,4,FPGA/CPLD产品概述,5,第3章 FPGACPLD结构与应用,EDA技术与VHDL语言,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.5 FPGA/CPLD产品概述,3.5.1 Lattice公司CPLD器件系列,1. ispLSI器件系列,ispLSI1000E系列,ispLSI2000E/2000VL/2000VE系列,ispLSI5000VE系列,ispLSI 8000/8000V系列,ispLSI器件的结构与特点:,EDA技术与VHDL语言,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.5 FPGA/CPLD产品概述,3.5.1 Lattice公司CPLD器件系列,1. ispLSI器件系列,ispLSI1000E系列,ispLSI2000E/2000VL/2000VE系列,ispLSI5000VE系列,ispLSI 8000/8000V系列,2.ispMACH器件系列,ispMACH4000系列,ispMACH5000系列,EDA技术与VHDL语言,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.5 FPGA/CPLD产品概述,3.5.1 Lattice公司CPLD器件系列,Lattice公司FPGA器件系列,高性能 FPGA ：Lattice SC(System Chip),低成本 FPGA ：Lattice EC Lattice EC Lattice ECP-DSP,非易失 FPGA ：Lattices MachXO Lattice XPGA Lattice XP(eXpanded Programmability),EDA技术与VHDL语言,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.5 FPGA/CPLD产品概述,3.5.1 Lattice公司CPLD器件系列,3.5.2 Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列,1. Virtex-4系列FPGA,2. Spartan器件系列 Spartan-3器件系列,3. XC9500系列 CPLD CoolRunner系列:coolRunner II coolRunner XPLA3,4. Xilinx FPGA配置器件SPROM,5. Xilinx的IP核,EDA技术与VHDL语言,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.5 FPGA/CPLD产品概述,3.5.1 Lattice公司CPLD器件系列,3.5.2 Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列,3.5.3 Altera公司FPGA和CPLD器件系列,1. Stratix II、 Stratix 系列FPGA,2. APEX系列FPGA,3. ACEX系列FPGA,4. FLEX系列FPGA,5. MAX系列CPLD,6. Cyclone 、Cyclone II系列FPGA,7. Altera宏功能块及IP核,EDA技术与VHDL语言,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.5 FPGA/CPLD产品概述,3.5.1 Lattice公司CPLD器件系列,3.5.2 Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列,3.5.3 Altera公司FPGA和CPLD器件系列,3.5.4 Actel公司的FPGA器件系列,Actel公司生产的FPGA广泛应用于通信等领域，该公司的部分FPGA系列采用反熔丝结构，可以应用于航空航天、军事领域。另外一些FPGA采用了Flash工艺制造。,EDA技术与VHDL语言,第3章 FPGACPLD结构与应用,3.5 FPGA/CPLD产品概述,3.5.1 Lattice公司CPLD器件系列,3.5.2 Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列,3.5.3 Altera公司FPGA和CPLD器件系列,3.5.4 Actel公司的FPGA器件系列,3.5.5 Altera公司的FPGA配置方式与器件系列,EDA技术与VHDL语言,谢谢！,
