FPGA的结构课件

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1、Usable is ProfitableFPGA的结构的结构1第第2 2章章可编程逻辑器件基础可编程逻辑器件基础Usable is ProfitableFPGA的结构的结构2FPGAFPGA（Field Programmable Gate Array Field Programmable Gate Array）CPLD(Complex Programmable Logic DeviceCPLD(Complex Programmable Logic Device）Usable is ProfitableFPGA的结构的结构3可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)发展历程发展历程可编程只读存储器可

2、编程只读存储器PROM（Programmable ROM）可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA（Programmable Logic Array）可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic）通用阵列逻辑通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic）现场可编程门阵列现场可编程门阵列（FPGA）复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件（CPLD）基于与或阵列基于与或阵列基于查找表基于查找表Usable is ProfitableFPGA的结构的结构4与门：国标符号与门：国标符号准备知识：基本逻辑门的符号表示法准备知识：基本逻辑门的符号表示法与门：美

3、国符号与门：美国符号或门：国标符号或门：国标符号或门：美国符号或门：美国符号Usable is ProfitableFPGA的结构的结构5缓冲器缓冲器断开断开硬线连接硬线连接可编程单元可编程单元准备知识：缓冲器及连线准备知识：缓冲器及连线Usable is ProfitableFPGA的结构的结构6准备知识：与或逻辑的阵列表示法准备知识：与或逻辑的阵列表示法乘积项：与运算的输出项乘积项：与运算的输出项或项：或运算的输出项或项：或运算的输出项Usable is ProfitableFPGA的结构的结构7nnnCBAnnnCBAnnnCBAnnnCBAnnBAnnCAnnCBnnnnnnnnnnn

4、nnCBACBACBACBASnnnnnnnCBCABAC1与或阵列与或阵列Usable is ProfitableFPGA的结构的结构8PLD器件主体是与或阵列，主要用来器件主体是与或阵列，主要用来实现实现组合逻辑组合逻辑。与或阵列与或阵列输入电路输入电路任何组合逻辑函数都可以化为任何组合逻辑函数都可以化为“与或与或”表表达式，即任何组合电路可以用与门或门二达式，即任何组合电路可以用与门或门二级电路实现。级电路实现。同样任何时序电路都可以由组合电路加上同样任何时序电路都可以由组合电路加上存储原件（触发器、存储原件（触发器、RAM等）构成。等）构成。输出电路输出电路Usable is Prof

5、itableFPGA的结构的结构91.可编程只读存储器（可编程只读存储器（PROM）与阵列固定；或阵列与阵列固定；或阵列可编程。可编程。熔丝烧断后不能恢复熔丝烧断后不能恢复，只能编程一次，不，只能编程一次，不能重复编程和修改。能重复编程和修改。无论是否需要都会输无论是否需要都会输出全部最小项，利用出全部最小项，利用率低。率低。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构102.2.可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列 PLAPLA 与或阵列均可编程。与或阵列均可编程。需要得到逻辑函数的需要得到逻辑函数的与或最简表达式，涉与或最简表达式，涉及的软件算法比较复及的软件算法比较复杂。杂。两个

6、阵列均可编程使两个阵列均可编程使编程后器件运行速度编程后器件运行速度下降。下降。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构113.13.1可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL PAL：与阵列可编程，与阵列可编程，可以获得较多的可以获得较多的输入项；输入项；或阵列固定使器或阵列固定使器件结构简单。件结构简单。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构123.2 3.2 通用阵列逻辑通用阵列逻辑GALGALuGALGAL是在是在PALPAL的基础上发展的基础上发展起来的，和起来的，和PALPAL一样与阵一样与阵列可编程，或阵列固定。列可编程，或阵列固定。u不同的是

7、不同的是GALGAL器件的输出器件的输出端设置了可编程的端设置了可编程的输出逻输出逻辑宏单元辑宏单元OLMCOLMC（Output Output Logic Macro CellLogic Macro Cell），其），其内含有内含有D D触发器触发器，从而可，从而可以实现时序逻辑。通过编以实现时序逻辑。通过编程可以将程可以将OLMCOLMC设置成不同设置成不同的输出方式，提高了设计的输出方式，提高了设计的灵活性。的灵活性。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构134.CPLD(Complex Programmable Logic Device）CPLDCPLD是从是从P

8、AL GALPAL GAL基础上发展起来的阵列型高基础上发展起来的阵列型高密度密度PLDPLD。大多数大多数CPLDCPLD器件中至少包含三种结构：器件中至少包含三种结构：q可编程逻辑宏单元、可编程逻辑宏单元、q可编程可编程I/O单元单元q可编程内部连线。可编程内部连线。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构14输入输出控制模块：负输入输出控制模块：负责电气特性控制责电气特性控制宏单元是器件的基本结构，宏单元是器件的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能由它来实现基本的逻辑功能负责信号传递，负责信号传递，连接所有的宏单元连接所有的宏单元Usable is Profitable

9、FPGA的结构的结构15CPLD使用上的特点使用上的特点逻辑单元主体为与或阵列，一般采用逻辑单元主体为与或阵列，一般采用EEPROMEEPROM和和FLASHFLASH工艺，编程后，其结构即确定下来，掉电工艺，编程后，其结构即确定下来，掉电后不会消失。后不会消失。由于可以通过与或阵列将大型组合逻辑函数在由于可以通过与或阵列将大型组合逻辑函数在一级逻辑中实现，因此能够提供较高的组合逻一级逻辑中实现，因此能够提供较高的组合逻辑处理速度，适于进行大型组合逻辑的处理。辑处理速度，适于进行大型组合逻辑的处理。内部互连结构由固定长度的连线资源组成并且内部互连结构由固定长度的连线资源组成并且易于确定时序参数

10、，便于进行时序分析工作。易于确定时序参数，便于进行时序分析工作。芯片集成度相对较低，寄存器资源相对较少，芯片集成度相对较低，寄存器资源相对较少，不适于大量使用寄存器的系统中。不适于大量使用寄存器的系统中。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构16器件类别器件类别与或阵列结构与或阵列结构PROM“与阵列与阵列”固定、固定、“或阵列或阵列”可可编程编程PLA“与阵列与阵列”和和“或阵列或阵列”均可编均可编程程PAL、GAL、CPLD“与阵列与阵列”可编程、可编程、“或阵列或阵列”固定固定Usable is ProfitableFPGA的结构的结构17FPGA以上以上PLDPL

11、D逻辑单元主体为与或阵列，而逻辑单元主体为与或阵列，而FPGAFPGA逻辑单逻辑单元主体为元主体为查找表查找表(LUTLUT:Look-Up Table):Look-Up Table)。例如：用查找表实现四输入与门。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构18当用户通过原理图或当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以语言描述了一个逻辑电路以后，软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并将后，软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并将结果写入结果写入RAM，这样每输入一个信号进行逻辑运算就，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输等

12、于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容输出即可。出即可。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构19练习：用练习：用4输入查找表实现输入查找表实现a(b+c)+d地址（dcba）数据地址(dcba)数据0000100000011001001010100011101101001100010111010110111001111111Usable is ProfitableFPGA的结构的结构20地址(dcba)数据地址(dcba)数据00000100010001010011001001010100111101110100011001010111101101100111010

13、111111111练习：用练习：用4输入查找表实现输入查找表实现a(b+c)+dUsable is ProfitableFPGA的结构的结构21Usable is ProfitableFPGA的结构的结构22Usable is ProfitableFPGA的结构的结构23FPGA典型结构典型结构Usable is ProfitableFPGA的结构的结构24FPGA使用上的特点使用上的特点逻辑单元主体为查找表，并且该查找表使用的RAM为SRAM（静态随机访问存储器）类型。SRAM掉电后数据会丢失，所以一旦掉电，FPGA的结构即会丢失，因此每次上电时都要重新对FPGA进行配置，这可以使用掉电时不

14、会丢失数据的专门的配置芯片进行。相对于CPLD器件，FPGA较小的逻辑单元可以将设计功能进行更细的划分，因而能够更充分地利用单元内的各种资源，但同时也加大了逻辑优化和时序分析的难度，增加了实现大型组合逻辑时的延时。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构25FPGA使用上的特点使用上的特点(续续)FPGA器件虽然具有较小的基本逻辑单元，但集成度较高，寄存器资源较多，利用逻辑单元的级连可实现较长的数据通路，这样的结构适合于实现大量使用寄存器的流水线结构设计的系统中。流水线结构流水线结构Usable is ProfitableFPGA的结构的结构26CPLD与与FPGA区别区别

15、1 1、互连结构不同、互连结构不同2 2、基本逻辑单元结构不同、基本逻辑单元结构不同3 3、集成度不同、集成度不同4 4、速度不同、速度不同5 5、应用范围不同、应用范围不同 CPLDCPLD逻辑能力强而寄存器少，适用于完成各种算逻辑能力强而寄存器少，适用于完成各种算法或组合逻辑；法或组合逻辑；FPGAFPGA逻辑能力较弱但寄存器多，适用于完成时序逻辑能力较弱但寄存器多，适用于完成时序逻辑。逻辑。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构27FPGA/CPLD产品概述产品概述Lattice是 最早推出PLD的公司。首先发明了ISP下载方式，是CPLD的应用领域有了更巨大的扩展

16、。Xilinx在1985年首次推出FPGA.其CPLD以CoolRunner,XC9500系列为代表，FPGA以XC4000,Spartan,Virtex系列为代表Altera的产品按照其推出先后顺序一次为Classic系列，MAX系列，FLEX系列，APEX系列、ACEX系列、ACEX系列，系列，系列，MAX系列、Cyclone 系列及Stratix，Stratix 系列。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构28FPGA发展的趋势发展的趋势更先进的制造工艺（更先进的制造工艺（4040纳米），带来更高的集纳米），带来更高的集成度（千万门级别）、更多的可用成度（千万门级别

17、）、更多的可用IOIO引脚（上引脚（上千个）、更低的工作电压（千个）、更低的工作电压（0.9V0.9V）、更低的功）、更低的功耗。耗。内部普遍集成，针对不同应用领域的专用资源内部普遍集成，针对不同应用领域的专用资源:时钟管理单元、乘法器、加法器、时钟管理单元、乘法器、加法器、RAMRAM、CPUCPU、高速串行收发器等。高速串行收发器等。不断支持新的接口电平标准：不断支持新的接口电平标准：LVTTLLVTTL、LVCMOSLVCMOS、3.0V PCI3.0V PCI、3.0V PCI-X3.0V PCI-X、SSTLSSTL、HSTLHSTL内部集成配置芯片及电路，上电即用。内部集成配置芯片

18、及电路，上电即用。Usable is ProfitableFPGA的结构的结构29扩展了解扩展了解ASIC不同设计方法的特点不同设计方法的特点设计方法设计方法设计效率设计效率功耗功耗/面积面积电路速度电路速度可重新设计性可重新设计性全定制全定制最低最低最小最小最高最高最低最低标准单元标准单元中等中等中等中等高高高高门阵列门阵列高高较大较大一般一般高高可编程器件可编程器件最高最高较大较大低低最高最高Usable is ProfitableFPGA的结构的结构30Altera器件的命名器件的命名Usable is ProfitableFPGA的结构的结构31Altera器件的命名器件的命名 EP1

19、5 25 F 780 C 5 N 器件系列器件系列器件类型器件类型封装形式封装形式工作温度工作温度引脚数目引脚数目速度等级速度等级可选后缀可选后缀工作温度工作温度 C C：民用品温度（：民用品温度（0 0C C8585C C）I I：工业品温度（：工业品温度（4040C C100100C C）Usable is ProfitableFPGA的结构的结构32EP2C 20 Q 240 C 8器件系列器件系列器件类型器件类型封装形式封装形式引脚数目引脚数目工作温度工作温度速度等级速度等级Usable is ProfitableFPGA的结构的结构33总结总结掌握基础知识:逻辑门的表示,与或阵列,乘积项,查找表的工作原理等了解PLD的结构发展FPGA结构特点设计理念“胸有成竹”