可编程逻辑器件

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1、可编程逻辑器件08电科1徐小军随着半导体技术的发展，电子产品的集成度也在日益加大，一个电子系统可 能有数万个中小规模通用集成电路构成，例如FPGA的集成规模达百万门电路。 这必然会导致体积大，功耗大，可靠性差的缺点。未解决这一问题早期主要采 用专用集成电路ASIC芯片进行设计，但是ASIC芯片开发费用高，开发时间时 间长。尤其是在设计产品不满足要求时，还需要重新设计与检验，而且设计也采 用自下而上的方法导致电子产品不能模块化。电子设计者迫切希望能否利用软件 由用户根据自己的需要自行完成编程设计工作，并在设计阶段进行硬件仿真，且 在出现问题时，只需要修改程序即可以达到修改内部电路的效果。可编程逻

2、辑器 件（PLD）的出现很好的解决了这个问题！早期的PLD主要解决数字系统中各类存储问题，后来逐渐转向为各种逻辑 应用。目前常见的PLD产品主要有编程只读存储器（PROM），现场可编程逻辑 阵列（FPLA），可编程阵列逻辑（PAL），通用阵列逻辑（GAL）以及EPLA,CPLD 和现场可编程门阵列等等类型。然而现在使用较多的是CPLD和FPGA。CPLD是较复杂的PLD，主要由LMC,IOC和可编程内部连线。LMC主要包 括与阵列，或阵列，可编程触发器和多路选择器等电路LMC犹如人体的心脏， IOC如人的口与眼睛，而可编程连线如人体的神经网络。程序就是人的大脑，它 指挥着可编程连线将LMC的逻

3、辑门连接起来实现设计者所需要的功能。但是如 何通过程序来实现可编程内部连线的导通，截止和高阻态。这是PLD应该解决 的重要问题。现在主要有熔丝与反熔丝，UVEPROM,E2PROM和SRAM编程技 术。而熔丝与反熔丝编程器件为一次性可编程器件，比较适合定型产品和大批量 生产，其他技术可多次编程。CPLD的原理图：FPGA是由许多独立的可编程逻辑块组成。用户可以通过编程将这些模块连 接起来实现不同的设计，FPGA兼容了 MPGA和阵列型PLD两者的优点，因而 具有更高的集成度，更强的逻辑实现能力和更好的灵活性。FPGA具有掩模可编 程门阵列的通用结构，他由逻辑功能排成阵列组成，并有可编程的互连资

4、源连接 这些逻辑功能块来实现不同的设计。使用FPGA器件，可在较短的时间内完成一 个电子系统，而且采用自顶而下的设计方法将电子系统模块化，从而使一个系统 可有多个工程师分工协作，缩短研制周期，达到快速上市和进一步降低成本的要 求。Xilinx的FPGA占有市场份额的90%左右，在集成电路的实际中，多采用 Xilinx的FPGA。FPGA有可编程逻辑块（CLB）输入1输出模块（IOB）即可编CLB是实现逻辑功能的基本单元，它们通常规则的排列成一个阵列。散布于整 个芯片中；可编程输入与输出模块主要完成芯拍上的逻辑与外部引脚的接口，他 通常排列在芯片的四周；可编程互连资源包括各种长度的连线线段和一些

5、可编程 连接开关，他们将各个CLB之间或IOB之间连接起来，构成特定功能电路。基 于SRAM的FPGA器件，在工作前需要从芯片外部加在配置数据，配置数据可 以存储在芯片外的EPROM或其他存储器上。FPGA与CPLD的区别： 将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为 CPLD，如 Lattice 的 ispLSI 系列、Xilinx 的 XC9500 系列、Altera 的 MAX7000S 系列和Lattice（原Vantis）的Mach系列等。将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA，如Xilinx的SPARTAN 系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。尽管FPG

6、A和CPLD都是可编程ASIC器件，有很多共同特点,但由于CPLD和 FPGA结构上的差异，具有各自的特点： CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FP GA更适合于完成时序逻辑。换 句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构，而CPLD更适合于触发器有限而乘积项 丰富的结构。 CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而 FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连 电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FP GA可在逻 辑门下编程，而CPLD是在逻辑块下编程。 FPG

7、A的集成度比CPLD高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现。 CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM或FASTFLASH技 术,无需外部存储器芯片，使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上, 使用方法复杂。 CPLD的速度比FPGA快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是 门级编程，并且CLB之间采用分布式互联，而CPLD是逻辑块级编程,并且其逻辑块 之间的互联是集总式的。 在编程方式上,CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程，编程次数可 达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程 和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程，编程信息在系统断电时丢失, 每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意 次,可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置。 CPLD保密性好,FPGA保密性差。 一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明显。经过几天的EDA实训，让我知道CPLD的强大功能。我们可以利用VHDL语言 对CPLD的内部进行电路搭建，实现我们需要的电路功能。可编程逻辑器件犹如 未开垦的大地，任由我们在遵守一定规则的前提条件下塑造他的形状，实现我们 需要的功能。这让我对他充满好奇和莫名的兴奋！