第2章PLD硬件特性与编程技术2.ppt

《第2章PLD硬件特性与编程技术2.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章PLD硬件特性与编程技术2.ppt（46页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、EDA技术与技术与VHDL 第第2 2章章PLDPLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术 K KX康芯科技康芯科技2021/9/171中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.1 PLD 2.1 PLD 概述概述 基本基本PLD器件的原理结构图器件的原理结构图 PLD：ProgrammableLogicDevice可编程逻辑器件可编程逻辑器件中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件

2、特性与编程技术硬件特性与编程技术2.1.1 PLD2.1.1 PLD的发展历程的发展历程 熔丝编程的熔丝编程的PROM和和PLA器件器件 AMD公公司推出司推出PAL器件器件 GAL器件器件 FPGA器器件件 EPLD器器件件 CPLD器器件件 内嵌复杂内嵌复杂功能模块功能模块的的SoPC 20世纪世纪70年代年代20世纪世纪70年代末年代末20世纪世纪80年代初年代初20世纪世纪80年代中期年代中期20世纪世纪80年代末年代末进入进入20世纪世纪90年代后年代后中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特

3、性与编程技术硬件特性与编程技术2.1.2 PLD2.1.2 PLD的分类的分类 按集成度按集成度(PLD)分类分类 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.1.2 PLD2.1.2 PLD的分类的分类 1熔丝熔丝(Fuse)型器件。型器件。2反熔丝反熔丝(Anti-fuse)型器件型器件。3EPROM型。（紫外线擦除电可编程逻辑器件型。（紫外线擦除电可编程逻辑器件）4EEPROM型型。5SRAM型型。6Flash型型。从编程工艺上划分从编程工艺上划分:中国矿业大学计算机

4、学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 2.2.1 2.2.1 电路符号表示电路符号表示 常用逻辑门符号与现有国标符号的对照常用逻辑门符号与现有国标符号的对照 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.1 2.2.1 电路符号表示电路符号表示 PLD的互补缓冲器的互补缓冲器 PLD的互补输入的互补输入 P

5、LD中与阵列表示中与阵列表示 PLD中或阵列的表示中或阵列的表示 阵列线连接表示阵列线连接表示 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM PROM基本结构基本结构 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM PROM中的地址译码器是完成中的地址译码器是完成PROM存储阵列的

6、行的选择，存储阵列的行的选择，其逻辑函数是：其逻辑函数是：中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM.中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM PROM的逻辑阵列结构的逻辑阵列结构 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础

7、数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM PROM表达的表达的PLD阵列图阵列图 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM 用用PROM完成半加器逻辑阵列完成半加器逻辑阵列 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬

8、件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.3 PLA 2.2.3 PLA PLA逻辑阵列示意图逻辑阵列示意图 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.3 PLA 2.2.3 PLA PLA与与 PROM的比较的比较 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.4 PAL 2.2.4 PAL PAL结构结构 PAL的常用表示的常用表示 中国矿业

9、大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.2.5 GAL 2.2.5 GAL GAL GAL即通用阵列逻辑器件，首次在即通用阵列逻辑器件，首次在PLDPLD上采用了上采用了EEPROMEEPROM工艺，使得工艺，使得GALGAL具有电可擦除重复编程的特点，具有电可擦除重复编程的特点，彻底解决了熔丝型可编程器件的一次可编程问题。彻底解决了熔丝型可编程器件的一次可编程问题。GALGAL在在“与与-或或”阵列结构上沿用了阵列结构上沿用了PALPAL的与阵列可编程、或的与阵列可编程、或阵

10、列固定的结构，但对阵列固定的结构，但对PALPAL的输出的输出I/OI/O结构进行了较大的结构进行了较大的改进，在改进，在GALGAL的输出部分增加了输出逻辑宏单元的输出部分增加了输出逻辑宏单元OLMC(Output Macro Cell)OLMC(Output Macro Cell)。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术1 1逻辑阵列块逻辑阵列块(LAB)(LAB)2.3 CPLD2.3 CPLD的结构与可编程原理的结构与可编程原理 分为五部分：逻辑阵分为五部分：逻辑

11、阵列块、列块、可编程逻辑宏可编程逻辑宏单元、单元、扩展乘积项、扩展乘积项、可编程内部连线、可可编程内部连线、可编程编程I/OI/OComplex Programmable Logic DeviceComplex Programmable Logic Device）中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.3 CPLD2.3 CPLD的结构与可编程原理的结构与可编程原理 MAX7000系列的单个宏单元结构系列的单个宏单元结构 2 2宏单元宏单元 中国矿业大学计算机学院中国矿

12、业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2 2宏单元宏单元 全局时钟信号全局时钟信号全局时钟信号由高电平有效的时钟信号使能全局时钟信号由高电平有效的时钟信号使能 用乘积项实现一个阵列时钟用乘积项实现一个阵列时钟2.3 CPLD2.3 CPLD的结构与可编程原理的结构与可编程原理逻辑阵列逻辑阵列MAX7000MAX7000系列中的宏单元系列中的宏单元 乘积项选择矩阵乘积项选择矩阵可编程寄存器可编程寄存器 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统

13、设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术3 3扩展乘积项扩展乘积项 图图2-20 共享扩展乘积项结构共享扩展乘积项结构 2.3 CPLD2.3 CPLD的结构与可编程原理的结构与可编程原理 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术4 4可编程连线阵列可编程连线阵列(PIA)(PIA)PIA信号布线到信号布线到LAB的方式的方式 2.3 CPLD2.3 CPLD的结构与可编程原理的结构与可编程原理中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基

14、础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术5 5I/OI/O控制块控制块 EPM7128S器器件的件的I/O控制块控制块 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术FPGA一般由三种可一般由三种可编程电路和一个用于存放编程电路和一个用于存放编程数据的静态存储器编程数据的静态存储器SRAM组成。这三种可编组成。这三种可编程电路是：可编程逻辑块程电路是：可编程逻辑块(ConfigurableLogicBlock，CLB

15、)、输入、输入/输输出模块出模块(I/OBlock，IOB)和互连资源和互连资源(InterconnectResource，IR)。2.4.2 FPGA2.4.2 FPGA器件的结构与原理器件的结构与原理 LAB阵列阵列 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.4.1 2.4.1 查找表逻辑结构查找表逻辑结构 FPGA查找表单元查找表单元 2.4 FPGA2.4 FPGA的结构与工作原理的结构与工作原理 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系

16、统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.4.1 2.4.1 查找表逻辑结构查找表逻辑结构 FPGA查找表单元内部结构查找表单元内部结构 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 Cyclone LE结构图结构图 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2

17、章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 Cyclone LE普通模式普通模式 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 Cyclone LE动态算术模式动态算术模式 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章

18、 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 Cyclone LAB结构结构 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 LAB阵列阵列 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程

19、技术2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 LAB控制信号生成的逻辑图控制信号生成的逻辑图 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 快速进位选择链快速进位选择链 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术LUT

20、链和寄存器链的使用链和寄存器链的使用 2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 2.4 FPGA2.4 FPGA的结构与工作原理的结构与工作原理 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术图图2-34 LVDS连接连接 2.4.2 Cyclone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 2.4 FPGA2.4 FPGA的结构与工作原理的结构与工作原理 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字

21、系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.5 2.5 硬件测试技术硬件测试技术 2.5.1 2.5.1 内部逻辑测试内部逻辑测试 在在ASICASIC设计中的扫描寄存器，是可测性设计的一种，设计中的扫描寄存器，是可测性设计的一种，原理是把原理是把ASICASIC中关键逻辑部分的普通寄存器用测试扫描中关键逻辑部分的普通寄存器用测试扫描寄存器来代替，在测试中可以动态地测试、分析设计其寄存器来代替，在测试中可以动态地测试、分析设计其中寄存器所处的状态，甚至对某个寄存器加以激励信号，中寄存器所处的状态，甚至对某个寄存器加以激励

22、信号，改变该寄存器的状态。改变该寄存器的状态。边界扫描测试是一种可测试结构技术，它采用集成边界扫描测试是一种可测试结构技术，它采用集成电路的内部外围所谓的电路的内部外围所谓的“电子引脚电子引脚”（边界）模拟（边界）模拟传统的在线测试的物理引脚，对器件内部进行扫描传统的在线测试的物理引脚，对器件内部进行扫描测试测试 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.5.2 JTAG2.5.2 JTAG边界扫描测试边界扫描测试 引引脚脚描描述述功功能能TDI测试数据输入测试数据输入(

23、TestDataInput)测测试试指指令令和和编编程程数数据据的的串串行行输输入入引引脚脚。数数据据在在TCK的上升沿移入。的上升沿移入。TDO测试数据输出测试数据输出(TestDataOutput)测测试试指指令令和和编编程程数数据据的的串串行行输输出出引引脚脚，数数据据在在TCK的的下下降降沿沿移移出出。如如果果数数据据没没有有被被移移出出时时，该该引引脚脚处处于于高阻态。高阻态。TMS测试模式选择测试模式选择(TestModeSelect)控控制制信信号号输输入入引引脚脚，负负责责TAP控控制制器器的的转转换换。TMS必必须在须在TCK的上升沿到来之前稳定。的上升沿到来之前稳定。TCK

24、测试时钟输入测试时钟输入(TestClockInput)时时钟钟输输入入到到BST电电路路，一一些些操操作作发发生生在在上上升升沿沿，而而另另一些发生在下降沿。一些发生在下降沿。TRST测试复位输入测试复位输入(TestResetInput)低低电电平平有有效效，异异步步复复位位边边界界扫扫描描电电路路(在在IEEE规规范范中中，该引脚可选该引脚可选)。表表2-1 边界扫描边界扫描IO引脚功能引脚功能 2.5 2.5 硬件测试技术硬件测试技术 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性

25、与编程技术2.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD产品概述产品概述 2.6.1 Lattice2.6.1 Lattice公司公司CPLDCPLD器件系列器件系列 2.6.2 Xilinx2.6.2 Xilinx公司的公司的FPGAFPGA和和CPLDCPLD器件系列器件系列1.Virtex-4系列系列FPGA2.Spartan&Spartan-3&Spartan3E器件系器件系 3.XC9500&XC9500XL系列系列CPLD4.XilinxFPGA配置器件配置器件SPROM中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基

26、础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD产品概述产品概述 2.6.3 Altera2.6.3 Altera公司公司FPGAFPGA和和CPLDCPLD器件系列器件系列 1.Stratix II 系列系列FPGA 2.ACEX系列系列FPGA 3.MAX系列系列CPLD 4.Cyclone系列系列FPGA低成本低成本FPGA 5.Cyclone II系列系列FPGA 6.MAX II系列器件系列器件 7.Altera宏功能块及宏功能块及IP核核 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统

27、设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.6 FPGA/CPLD2.6 FPGA/CPLD产品概述产品概述 2.6.4 Actel2.6.4 Actel公司的公司的FPGAFPGA器件器件 2.6.5 Altera2.6.5 Altera公司的公司的FPGAFPGA配置方式与配置器件配置方式与配置器件 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.7 2.7 编程与配置编程与配置 表表2-2 各引脚信号名称各引脚信号名称 基于电可擦除存

28、储单元的基于电可擦除存储单元的EEPROM或或Flash技术。技术。基于基于SRAM查找表的编程单元。查找表的编程单元。基于反熔丝编程单元。基于反熔丝编程单元。引脚引脚12345678910PS模式模式DCKGNDCONF_DONEVCCnCONFIG-nSTATUS-DATA0GNDJATG模式模式TCKGNDTDOVCCTMS-TDIGND中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.1 JTAG2.7.1 JTAG方式的在系统编

29、程方式的在系统编程 图图2-35 CPLD编程下载连接图编程下载连接图 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.2 2.7.2 使用使用PCPC并行口配置并行口配置FPGA FPGA AlteraAltera的的FPGAFPGA有如下几种常用编程配置方式：有如下几种常用编程配置方式：1 1配置器件模式，如用配置器件模式，如用EPCEPC器件进行配置。器件进行配置。2 2PS(Passive SerialPS(Passive Se

30、rial被动串行被动串行)模式。模式。3 3JTAGJTAG模式，用于配置模式，用于配置SRAMSRAM的的SOFSOF文件，或文件，或JTAGJTAG间接对配置器件编程模式。间接对配置器件编程模式。4 4ASAS（Active SerialActive Serial），这个模式是针对），这个模式是针对EPCSEPCS系列系列配置器件而配置器件而 。中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.3 FPGA2.7.3 FPGA配置器件

31、配置器件 图图2-36 FPGA使用使用EPC配置器件的配置时序配置器件的配置时序 中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.3 FPGA 2.7.3 FPGA 配置器件配置器件 图图2-37 FPGA的配置电路原理图的配置电路原理图（注，此图来自（注，此图来自Altera资料，中间一上拉线应串资料，中间一上拉线应串1K电阻）电阻）中国矿业大学计算机学院中国矿业大学计算机学院数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础数字系统设计基础第第2章章 PLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术2.7 2.7 编程与配置编程与配置 2.7.3 FPGA2.7.3 FPGA配置器件配置器件 图图2-38 EPCS器件配置器件配置FPGA的电路原理图的电路原理图