1-3CPLD与FPGA.ppt

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1、CPLD与与FPGA2021/9/171ARM,DSP,FPGA 的区别nARM具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面。nDSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。nFPGA可以用VHDL或verilogHDL来编程，灵活性强，由于能够进行编程、检错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势，其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。2021/9/172目录目录n可编程逻辑器件的发展历程nCPLD/FPGA

2、厂商概述nCPLD原理nFPGA原理n常用EDA设计工具2021/9/173可编程逻辑器件的发可编程逻辑器件的发展历程展历程2021/9/174可编程逻辑器件的发展历程可编程逻辑器件的发展历程-1n当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会；n系统设计师们愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片；n现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。2021/9/175可编程逻辑器件的发展历程可编程逻辑器件的发展历程-2n早期，出现了可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)；n其后，出现了可编程逻辑器件(PLD)

3、，典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)2021/9/176可编程逻辑器件的发展历程可编程逻辑器件的发展历程-3n20世纪80年代中期。Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型 CPLD(Complex Programmable Logic Dvice)和与标准门阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array)2021/9/177谁在使用Altera和Xilinx的产品？n通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多，在美国则是平分秋色。n全球C

4、PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。2021/9/178相关说明相关说明-1nXilinx把基于查找表技术，SRAM工艺，要外挂配置用的EEPROM的PLD叫FPGA；把基于乘积项技术，Flash（类似EEPROM工艺）工艺的PLD叫CPLD；n Altera 把自己的PLD产品：MAX系列（乘积项技术，EEPROM工艺），FLEX系列（查找表技术，SRAM工艺）都叫作CPLD，由于FLEX系列也是SRAM工艺，基于查找表技术，要外挂配置用的EPROM,用法和Xilinx的FPGA一样，所以很多人把

5、Altera的FELX系列产品也叫做FPGA。2021/9/179相关说明相关说明-2n“可编程ASIC”是错误的说法ASIC是专用集成电路，通常都不可编程。nCPLD与FPGA的一般不同就在于其结构和配置方式CPLD掉电后，仍能保存着原有数据不丢失；FPGA需要给予稳定的电源，否则掉电后又需重新配置（编程）。2021/9/1710CPLD/FPGA厂商概厂商概述述2021/9/1711CPLD/FPGA厂商概述厂商概述n随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多IC制造厂家涉足PLD/FPGA领域。n目前世界上有十几家生产CPLD/FPGA的公司，最大的三家是：ALTERA，XILINX，Lat

6、tice，其中ALTERA和XILINX占有了60%以上的市场份额。2021/9/1712CPLD/FPGA部分厂商介绍部分厂商介绍nAlteranXilinxnLatticenActelnCypressnQuickLogicnLucentnAtmelnClear LogicnWSI2021/9/1713Alteran九十年代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应商之一。主要产品有：MAX3000/7000，FLEX10K，APEX20K，ACEX1K，Stratix，Cyclone等。开发软件为MaxplusII和QuartusII。普遍认为其开发工具QuartusII是最成功的PLD开发平

7、台之一，配合使用Altera公司提供的免费OEM HDL综合工具可以达到较高的效率。2021/9/1714XilinxnFPGA的发明者，老牌PLD公司，是最大可编程逻辑器件供应商之一。产品种类较全，主要有：XC9500/4000，Coolrunner(XPLA3)，Spartan,Virtex等。开发软件为Foundition和ISE。2021/9/1715LatticenLattice是ISP技术的发明者,ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比，其开发工具比ALTERA和XILINX略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，不过其大规模PLD、FPGA的竞争力还

8、不够强。2021/9/1716Acteln反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者，由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。2021/9/1717AtmelnATMEL公司是是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，产品包括了微处理器、可编程逻辑器件、非易失性存储器、安全芯片、混合信号及RF射频集成电路。2021/9/1718CPLD原理原理2021/9/1719基于乘积项的基于乘积项的PLD结构结构n采用这种结构的PLD芯片有：Altera的MAX7000，MAX3000系列（EEPROM工艺）

9、，Xilinx的XC9500系列（Flash工艺）和Lattice,Cypress的大部分产品（EEPROM工艺）。2021/9/1720PLD的总体结构的总体结构n以MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似2021/9/1721PLD的总体结构的总体结构n以MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似宏单元（宏单元（Marocell）2021/9/1722PLD的总体结构的总体结构n以MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似可编程连线（可编程连线（PIA）2021/9/1723PLD的总体结构的总体结构n以MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似I/O控制块控制块

10、2021/9/1724宏单元的结构宏单元的结构n宏单元（Macro cell）2021/9/1725宏单元的结构宏单元的结构n宏单元（Macro cell）左侧是乘积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可编程熔丝，如果导通就是实现“与”逻辑。后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。两者一起完成组合逻辑。2021/9/1726宏单元的结构宏单元的结构n宏单元（Macro cell）图右侧是一个可编程D触发器，它的时钟，清零输入都可以编程选择，可以使用专用的全局清零和全局时钟，也可以使用内部逻辑（乘积项阵列）产生的时钟和清零。如果不需要触发器，也可以将此触发器旁路，信号直接输给PIA或

11、输出到I/O脚。2021/9/1727乘积项结构的乘积项结构的PLD逻辑实现原理逻辑实现原理-1n下面我们以一个简单的电路为例,具体说明PLD是如何利用以上结构实现逻辑的。2021/9/1728乘积项结构的乘积项结构的PLD逻辑实现原理逻辑实现原理-1n假设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f，则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D+B*C*!D n我们以!D表示D的“非”2021/9/1729乘积项结构的乘积项结构的PLD逻辑实现原理逻辑实现原理-2nPLD将以下面的方式来实现组合逻辑f说明见备注2021/9/1730PLD原理总结原理总结-1n前面的电路是一个很简单的例子，只需要一个

12、宏单元就可以完成。n对于一个复杂的电路，一个宏单元是不能实现的，这时就需要通过并联扩展项和共享扩展项将多个宏单元相连，宏单元的输出也可以连接到可编程连线阵列，再做为另一个宏单元的输入。2021/9/1731PLD原理总结原理总结-2n这种基于乘积项的PLD基本都是由EEPROM和Flash工艺制造的，一上电就可以工作，无需其他芯片配合。2021/9/1732FPGA原理原理2021/9/1733基于查找表结构的基于查找表结构的FPGA原理原理n采用这种结构的PLD芯片我们也可以称之为FPGA：如Altera的ACEX，APEX系列，Xilinx的Spartan，Virtex系列等。2021/9

13、/1734查找表的实质查找表的实质-1n查找表（Look-Up-Table)简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。n目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。2021/9/1735查找表的实质查找表的实质-2n当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。n这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。2021/9/1736一个一个4输入与门的例子输入与门的例子n给出实际电路。n给出LUT地实现方式。n通过对比观察结

14、果。2021/9/1737一个一个4输入与门的例子输入与门的例子2021/9/1738一个一个4输入与门的例子输入与门的例子2021/9/1739一个一个4输入与门的例子输入与门的例子2021/9/1740基于查找表的基于查找表的FPGA的结构的结构-1n我们看一看Xilinx Spartan-II的内部结构n（详细见备注）Xilinx Spartan-II 芯芯片片内内部部结结构构2021/9/1741基于查找表的基于查找表的FPGA的结构的结构-1n我们看一看Xilinx Spartan-II的内部结构n（详细见备注）Slices结构2021/9/1742基于查找表的基于查找表的FPGA的

15、结构的结构-2nAltera的FLEX/ACEX等芯片的结构n（详细见备注）Altera FLEX/ACEX 芯芯片片的的内内部部结结构构2021/9/1743基于查找表的基于查找表的FPGA的结构的结构-2nAltera的FLEX/ACEX等芯片的结构n（详细见备注）逻辑单元（逻辑单元（LE）内部结构）内部结构2021/9/1744查找表结构的查找表结构的FPGA逻辑实现原理逻辑实现原理-1n回顾CPLD实现原理中讲述过的例子。2021/9/1745查找表结构的查找表结构的FPGA逻辑实现原理逻辑实现原理-2nA,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到到LUT

16、，LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。2021/9/1746查找表结构的查找表结构的FPGA逻辑实现原理逻辑实现原理-2n该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了上图所示电路的功能。（以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预）2021/9/1747查找表结构的查找表结构的FPGA逻辑实现原理逻辑实现原理-3n这个电路是一个很简单的例子，只需要一个LUT加上一个触发

17、器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。2021/9/1748查找表结构的查找表结构的FPGA逻辑实现原理逻辑实现原理-4n由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。2021/9/1749查找表结构的查找表结构的FPGA逻辑实现原理逻辑实现原理-5n也有少数FPGA采用反熔丝或Flash工

18、艺，对这种FPGA，就不需要外加专用的配置芯片。2021/9/1750选择选择PLD还是还是FPGA？（？（1）n根据上一篇PLD的结构和原理可以知道，PLD分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至2030多个组合逻辑输入。而FPGA的一个LUT只能处理4输入的组合逻辑，n因此，PLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑。2021/9/1751选择选择PLD还是还是FPGA？（？（2）n但FPGA的制造工艺确定了FPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多，往往都是几千上万，PLD一般只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，FPGA的平均逻辑单元成本大大低于PL

19、D。n所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂的时序逻辑，那么使用FPGA就是一个很好选择。2021/9/1752常用常用EDA设计工具设计工具2021/9/1753集成的集成的PLD/FPGA开发环境开发环境n这类软件都是由PLD/FPGA芯片厂家提供，基本都可以完成所有的设计输入（原理图或HDL)，仿真，综合，布线，下载等工作。2021/9/1754Altera公司上一代的PLD开发软件，使用者众多。目前Altera已经停止开发MaxplusII，而转向QuartusII软件平台Altera公司新一代PLD开发软件，适合大规模FPGA的开发2021/9/1755Xilinx公司上一

20、代的PLD开发软件，目前Xilinx已经停止开发Foundation，而转向ISE软件平台Xilinx公司目前的FPGA/PLD开发软件2021/9/1756ispDesignEXPERTLattice公司的PLD开发软件,目前最新软件改名为：ispLEVERLattice公司的PLD开发软件2021/9/1757设计输入工具（文本）设计输入工具（文本）n这类软件主要是帮助用户完成HDL文本的编辑和输入工作，提高输入效率，并不是必须的，更多人更习惯使用集成开发软件或者综合/仿真工具中自带的文本编辑器，甚至可以直接使用普通文本编辑器。2021/9/1758UltraEDIT-32，一个使用广泛的

21、编辑器，内置多种语言加亮功能，关键字能用不同色彩标出HDL Designer Series，Mentor公司的前端设计软件，包括5个部分，涉及设计管理，分析，输入等2021/9/1759逻辑综合软件逻辑综合软件n这类软件将把HDL语言翻译成最基本的与或非门的连接关系（网表），输出edf文件，导给PLD/FPGA厂家的软件进行试配和布线。n为了优化结果，在进行复杂HDL设计时，基本上都会使用这些专业的逻辑综合软件，而不使用PLD/FPGA厂家的集成开发软件中自带的逻辑综合功能。2021/9/1760Synplify/Synplify Pro,VHDL/Verilog综合软件，口碑相当不错。Syn

22、plicity公司出品Precision Synthesis，专注于为每一个程序找到最适合的芯片，从而节省开支，提高QoR2021/9/1761nMAX+PLUS II Advanced SynthsisALtera的一个免费HDL综合工具，安装后可以直接使用，是MaxplusII的一个插件，用这个插件进行语言综合，比直接使用MaxplusII综合的效果好。2021/9/1762仿真软件仿真软件n对设计进行校验仿真，包括布线以前的功能仿真（前仿真）和布线以后包含延时的时序仿真（后仿真），对于一些复杂的HDL设计可能需要这些软件专业的仿真功能。2021/9/1763ModelSimVHDL/Ve

23、rilogHDL仿真软件。Mentor的子公司Model Tech出品Active-HDLVHDL/VerilogHDL/C/C+仿真软件，人机界面较好，简单易用2021/9/1764NC-Verlog/NC-VHDL/NC-SIMCadence公司出品，很好的Verilog/VHDL仿真工具VCS/SciroccoVCS：Synopsys公司的VerilogHDL仿真软件Seirocco：为VHDL仿真软件2021/9/1765其他相关软件其他相关软件n Mentor公司出品，VHDL/Verilog完整开发系统，可以完成除了布线以外所有的工作，包括三套软件：HDL Designer Ser

24、ies（输入及项目管理），Leonardo.Spectrum（综合）和Modelsim（仿真）2021/9/1766其他相关软件其他相关软件n ISE与与Mathlab的接口，利用IP核在Mathlab中快速完成数字信号处理的仿真和最终FPGA实现2021/9/1767其他相关软件其他相关软件nDSP Builder QuartusII与Mathlab的接口，利用IP核在Mathlab中快速完成数字信号处理的仿真和最终FPGA实现2021/9/1768其他相关软件其他相关软件nSOPC Builder配合QuartusII，可以完成NiosII软CPU的开发工作2021/9/1769CPLD与与FPGA结束结束n点击此处返回首页2021/9/1770