第2章 可编程逻辑器件2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 概论 简单PLD原理 CPLD 的结构与工作原理 FPGA 的结构与工作原理 硬件测试技术 FPGA/CPLD产品概述 编程与配置

2.1 概论 PLD(Programmable Logic Device)☆ 数字电路系统分为组合电路和时序电路，均可由基 本门构成。 ☆ 组合电路在逻辑上输出总是当前输入的函数； 时序电路的输出是当前系统状态与当前输入的函数， 它含有存储元件。 ☆ 任何组合逻辑函数都可化为“与-或”表达式，从而 都可用“与”门和“或”门来实现。 时序电路都可由组合电路加上存储元件(锁存器、 触发器、RAM)构成。由此，提出了乘积项逻辑可编程结构。2

输 输入 入﹒

︰

缓冲 电路

与 阵 列

或 阵 列

输出 ﹒ 缓冲 ︰ 电路

输 出

基本PLD器件的原理结构图

特点：结构简单。

后来，又根据ROM工作原理、地址信号和输出 数据的关系，以及ASIC的门阵列法得到启发，构造 出另一种可编程逻辑结构，即查找表逻辑。其逻辑函 数采用RAM“数据”查找的方式，并使用多个查找表 构成一个查找表阵列，称为可编程门阵列PGA (Programmable Gate Array)。3

一、PLD的发展历程 20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件PROM和PLA; 20世纪70年代末，AMD公司推出PAL; 20世纪80年代初，Lattice公司发明电可擦写的GAL器件； 20世纪80年代中期，Xilinx公司提出现场可编程概念，同 时生产出世界上第一片FPGA器件；Altera公司推出EPLD 器件，较GAL有更高的集成度，可用紫外线或电擦除； 20世纪80年代末，Lattice公司又提出在系统可编程技术， 并推出一系列具有在系统可编程能力的CPLD器件，将可 编程器件的性能和应用技术推向了一个全新的高度； 进入20世纪90年代后，可编程集成电路技术进入飞速发展 时期。器件的可用逻辑门数超过百万门，并出现了内嵌复 杂功能模块(如加法器、乘法器、RAM、CPU核、DSP 核、DLL等)的SOPC(System On a Programmable Circuit)。4

二、PLD的种类及分类方法1、根据器件密度： 低密度PLD、高密度PLD(超过500门) PLD

低密度器件(LDPLD)PLA、PROM、PAL、GAL

高密度器件(HDPLD)EPLD、CPLD、FPGA

2、编程结构 乘积项结构 (PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD、CPLD) 查找表结构 (FPGA) 3、互连结构 FPGA(Field Programmable Gates Array ) 分段式布线，延迟不可预测 CPLD(Complex Programmable Logic Device) 连续式布线，延迟可预测

4、编程工艺 熔丝(Fuse)型 反熔丝(Anti-fuse)型：如Actel公司的FPGA器件 EPROM(Erasable PROM)紫外线擦除，电可编程。 EEPROM(Electrically EPROM)可直接用电擦写 Flash型(闪存):信息在一瞬间即可被存储。

SRAM型：编程速度、编程要求较低，被大部分FPGA 采用，如Xilinx和Altera公司的FPGA。

前五类编程元件为非易失性元件，编程后能使 逻辑配置数据保持在器件上。 SRAM类为易失性元件，即每次掉电后逻辑配 置数据会丢失，需专用配置元件。 熔丝型开关和反熔丝开关元件只能写一次；采 用浮栅编程的EPROM、EEPROM、Flash元件 和SRAM编程元件则可以进行多次编程。 反熔丝开关元件一般用在要求较高的军品系列 (如通信卫星、航空电子仪器等)器件上，而 浮栅编程元件一般用在民品系列器件上。8

三、可编程逻辑器件的发展趋势 向高密度和大规模方向发展 向系统内可重构方向发展 向低电压和低功耗方向发展 向高速可预测延时器件方向发展 IP核得到进一步发展 向混合可编程技术方向发展

2.2

简单PLD的原理

输入缓冲电路：主要用来对输入信号进行预处理，产生输 入变量的原变量和反变量； 与阵列：产生输入变量的与项(乘积项); 或阵列：将与阵列输出的乘积项有选择地进行和运算，形 成与或式，从而实现不同的逻辑函数； 输出缓冲电路：主要用来对输出信号进行处理，用户可以 根据需要选择各种灵活的输出方式(组合方式、时序方 式)。10

缓冲电路表示方法 为了使输入信号具有足够的驱动能力并产生原 变量和反变量两个互补的信号，PLD的输入缓 冲器和反馈缓冲器都采用互补的输出结构。

与门表示法

或门表示法

PLD连接的表示法 硬线连接是不可编程的，而接通和开断连接是靠编程 实现的。 在熔丝式工艺的PLD中(如PAL),接通对应于熔丝 未熔断，开断对应于熔丝被熔断； 在E2CMOS工艺的PLD中(如GAL),接通对应于 一个基本单元的导通状态，称此单元为被编程单元， 开断对应于该单元的截止状态，称此单元为被擦除单 元。

2.2.1

可编程只读存储器PROM

PROM是由固定的“与”阵列和可编程的 “或”阵列组成的。与阵列构成地址译码器， “.”是固定的联结点；或阵列是存储矩阵，“×” 表示用户可编程。15

连接点编 程时，需画 一个叉。

PROM结构16