第2章PLD硬件特性与编程技术40301166.ppt

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1、湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 2021/9/171湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.1 PLD 2.1 PLD 概述概述 图图2-1 基本基本PLD器件的原理结构图器件的原理结构图 2021/9/172湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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

2、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 2.1 PLD 概述概述 2021/9/173湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.1.2 PLD2.1.2 PLD的分类的分类 图图2-2 按集成度按集成度(PLD)

3、分类分类 2.1 PLD 概述概述 2021/9/174湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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。称为紫外线擦除电可编程逻辑器件型。称为紫外线擦除电可编程逻辑器件。4EEPROM型型。5SRAM型型。6Flash型型。2.1 PLD 概述概述 从编程工艺上划分从编程工艺上划分:2021/9/175湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技

4、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 图图2-3 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 2021/9/176湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.1 2.2.1 电路符号表示电路符号表示 图图2-4 PLD的互补缓冲器的互补缓冲器 图图2-5 PLD的互补输入的互补输入 图图2-6 PLD中与阵列表示中与阵列表示 图图2-7 PLD中或阵列的表示中或阵列的表示 图图2-8 阵列线连接表示阵列线连接表示 2021/9/177

5、湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM 图图2-9 PROM基本结构基本结构 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 2021/9/178湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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：2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 2021/9/

6、179湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理.2021/9/1710湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM 图图2-10 PROM的逻辑阵列结构的逻辑阵列结构 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 2021/9/1711湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技

7、术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM 图图2-11 PROM表达的表达的PLD阵列图阵列图 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 2021/9/1712湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.2 PROM 2.2.2 PROM 图图2-12 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 2021/9/1713湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.3 PLA 2.2.3

8、PLA 图图2-13 PLA逻辑阵列示意图逻辑阵列示意图 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 2021/9/1714湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.3 PLA 2.2.3 PLA 图图2-14 PLA与与 PROM的比较的比较 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 2021/9/1715湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.4 PAL 2.2.4 PAL 图图2-15 PAL结构结构 图图2-16 PAL的常

9、用表示的常用表示 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 2021/9/1716湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术图图2-17 一种一种PAL16V8的部分结构图的部分结构图 2021/9/1717湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.2.5 GAL 2.2.5 GAL 2.2 2.2 低密度低密度PLDPLD可编程原理可编程原理 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

10、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)。2021/9/1718湖北

11、大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.3 CPLD2.3 CPLD的结构与可编程原理的结构与可编程原理 图图2-18 MAX7000系列的单个宏单元结构系列的单个宏单元结构 2021/9/1719湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术图图2-19 MAX7128S的结构的结构 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 2021/9/1720湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与

12、技术湖北大学计算机科学与技术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 2021/9/1721湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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

13、CPLD2.3 CPLD的结构与可编程原理的结构与可编程原理2021/9/1722湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术3 3扩展乘积项扩展乘积项 图图2-22 并联扩展项馈送方式并联扩展项馈送方式 共享扩展项共享扩展项 并联扩展项并联扩展项 2021/9/1723湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术4 4可编程连线阵列可编程连线阵列(PIA)(PIA)图图2-22 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

14、理2021/9/1724湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术5 5I/OI/O控制块控制块 图图2-23 EPM7128S器器件的件的I/O控制块控制块 2021/9/1725湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.4 FPGA2.4 FPGA的结构与工作原理的结构与工作原理 在在FPGAFPGA开发技术的学习中，对于其硬件的了解主要应该注开发技术的学习中，对于其硬件的了解主要应该注意以下意以下5 5个方面：个方面：（1 1）FPGAFPGA的工作电源的类型和接入要求。的工作

15、电源的类型和接入要求。（2 2）编程口。）编程口。（3 3）I/OI/O端口、多用途端口、专用输入口、全局控制口、端口、多用途端口、专用输入口、全局控制口、LVDSLVDS口、锁相环时钟输入输出口的电气性能和使用方法。口、锁相环时钟输入输出口的电气性能和使用方法。（4 4）FPGAFPGA内部的嵌入式模块。内部的嵌入式模块。（5 5）配置器件。）配置器件。2021/9/1726湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.4.1 2.4.1 查找表逻辑结构查找表逻辑结构 图图2-24 FPGA查找表单元查找表单元 2.4 FPGA2.4 F

16、PGA的结构与工作原理的结构与工作原理2021/9/1727湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.4.1 2.4.1 查找表逻辑结构查找表逻辑结构 图图2-25 FPGA查找表单元内部结构查找表单元内部结构 2021/9/1728湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 图图2-26 Cyclone LE结构图结构图 2021/9/1729湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术

17、湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 图图2-27 Cyclone LE普通模式普通模式 2021/9/1730湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 图图2-28 Cyclone LE动态算术模式动态算术模式 2021/9/1731湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术2.4.2 Cy

18、clone2.4.2 Cyclone系列器件的结构与原理系列器件的结构与原理 图图2-29 Cyclone LAB结构结构 2021/9/1732湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 图图2-30 LAB阵列阵列 2021/9/1733湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 图图2-31LAB控制

19、信号生成的逻辑图控制信号生成的逻辑图 2021/9/1734湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 图图2-32 快速进位选择链快速进位选择链 2021/9/1735湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术图图2-33 LUT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

20、构与工作原理的结构与工作原理 2021/9/1736湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术图图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 2021/9/1737湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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ASIC设计中的扫描寄存器，是可测性设计的一种，

21、原理是把ASIC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、分析设计其中寄存器所处的状态，甚至对某个寄存器加以激励信号，改变该寄存器的状态。2021/9/1738湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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(Test Data Input)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(Test

22、 Data Output)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(Test Mode Select)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测试时钟输入测试时钟输入(Test Clock Input)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

23、在下降沿。TRST测试复位输入测试复位输入(Test Reset Input)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 2021/9/1739湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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

24、 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FPGA 2.Spartan&Spartan-3&Spartan 3E器件系器件系 3.XC9500&XC9500XL系列系列CPLD4.Xilinx FPGA配置器件配置器件SPROM 2021/9/1740湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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.St

25、ratix 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 2021/9/1741湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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

26、的FPGAFPGA配置方式与配置器件配置方式与配置器件 2021/9/1742湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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

27、-TDIGND2021/9/1743湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 2021/9/1744湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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

28、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 Serial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 。2021/9/1745湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技

29、术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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2-36 FPGA使用使用EPC配置器件的配置时序配置器件的配置时序 2021/9/1746湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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）2021/9/1747湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术湖北大学计算机科学与技术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 2021/9/1748