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1、EDA 技术实用教程,第 3 章 FPGA/CPLD 结构与应用,3.1 概 述,KX康芯科技,图3-1 基本PLD器件的原理结构图,KX康芯科技,3.1 概 述,3.1.1 可编程逻辑器件的发展历程,KX康芯科技,3.1 概 述,3.1.2 可编程逻辑器件的分类,图3-2 PLD按集成度分类,编程工艺熔丝反熔丝EPROMEEPROMSRAMFLASH,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.1 电路符号表示,图3-3 常用逻辑门符号与现有国标符号的对照,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.1 电路符号表示,图3-4 PLD的互补缓冲器 图3-5 PLD的互补输
2、入 图3-6 PLD中与阵列表示 十字交叉表示两条线未连接黑点:固定连接打叉:可编程,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.1 电路符号表示,图3-7 PLD中或阵列的表示 图3-8 阵列线连接表示,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.2 PROM,图3-9 PROM基本结构,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.2 PROM,图3-10 PROM的逻辑阵列结构,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.2 PROM,图3-11 PROM表达的PLD阵列图,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.2 PROM,图3-1
3、2 用PROM完成半加器逻辑阵列,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.3 PLA,图3-13 PLA逻辑阵列示意图,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.3 PLA,图3-14 PLA与 PROM的比较,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.4 PAL,图3-16 PAL的常用表示,图3-15 PAL结构,KX康芯科技,图3-17 一种PAL16V8的部分结构图,GAL:通用阵列逻辑器件与阵列可编程,或阵列不可编程!,KX康芯科技,图3-15 PAL结构,3.2.5 GAL,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.5 GAL,图3
4、-15 PAL结构,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.5 GAL,图3-20 寄存器模式组合双向输出结构,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.5 GAL,图3-21 组合输出双向结构,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.5 GAL,图3-22 复合型组合输出结构,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.5 GAL,图3-23 反馈输入结构,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.5 GAL,图3-24 输出反馈结构,KX康芯科技,3.2 简单可编程逻辑器件原理,3.2.5 GAL,图3-25 简单模式输出结构,
5、KX康芯科技,3.3 CPLD的结构与工作原理,图3-26MAX7000系列的单个宏单元,KX康芯科技,3.3 CPLD的结构与工作原理,图3-27 MAX7128S的结构,1逻辑阵列块(LAB),KX康芯科技,3.3 CPLD的结构与工作原理,2宏单元,KX康芯科技,3.3 CPLD的结构与工作原理,图3-28 共享扩展乘积项结构,3扩展乘积项,KX康芯科技,3.3 CPLD的结构与工作原理,3扩展乘积项,图3-29 并联扩展项馈送方式,KX康芯科技,3.3 CPLD的结构与工作原理,4可编程连线阵列(PIA),图3-30 PIA信号布线到LAB的方式,KX康芯科技,3.3 CPLD的结构与
6、工作原理,5I/O控制块,图3-31 EPM7128S器件的I/O控制块,KX康芯科技,3.4 FPGA的结构与工作原理,3.4.1 查找表逻辑结构,图3-32 FPGA查找表单元,图3-33 FPGA查找表单元内部结构,LUT:Look up table,KX康芯科技,3.4.2 Cyclone/CycloneII系列器件的结构与原理,图3-34 Cyclone LE结构图,KX康芯科技,3.4 FPGA的结构与工作原理,3.4.2 Cyclone/CycloneII系列器件的结构与原理,图3-35 Cyclone LE普通模式,KX康芯科技,3.4.2 Cyclone/CycloneII系
7、列器件的结构与原理,图3-36 Cyclone LE动态算术模式,KX康芯科技,3.4.2 Cyclone/CycloneII系列器件的结构与原理,图3-37 Cyclone LAB结构,KX康芯科技,3.4.2 Cyclone/CycloneII系列器件的结构与原理,图3-38 LAB阵列,KX康芯科技,3.4.2 Cyclone/CycloneII系列器件的结构与原理,图3-39 LAB控制信号生成,KX康芯科技,3.4.2 Cyclone/CycloneII系列器件的结构与原理,图2-40 快速进位选择链,KX康芯科技,3.4 FPGA的结构与工作原理,3.4.2 Cyclone/Cyc
8、loneII系列器件的结构与原理,图3-41 LUT链和寄存器链的使用,KX康芯科技,3.4 FPGA的结构与工作原理,3.4.2 Cyclone/CycloneII系列器件的结构与原理,图3-42 LVDS连接,KX康芯科技,3.5 硬件测试技术,内部逻辑测试,图3-43 边界扫描电路结构,3.5.2 JTAG边界扫描测试,KX康芯科技,3.5 硬件测试技术,表3-1 边界扫描IO引脚功能,3.5.2 JTAG边界扫描测试,KX康芯科技,3.5 硬件测试技术,图3-44 边界扫描数据移位方式,3.5.2 JTAG边界扫描测试,KX康芯科技,3.5.2 JTAG边界扫描测试,图3-45 JTA
9、G BST系统内部结构,KX康芯科技,3.5.2 JTAG边界扫描测试,图3-46 JTAG BST系统与与FPGA器件关联结构图,KX康芯科技,3.5 硬件测试技术,图3-47 JTAG BST选择命令模式时序,3.5.2 JTAG边界扫描测试,3.5.3 嵌入式逻辑分析仪 Altera Signaltap II,KX康芯科技,3.6 FPGA/CPLD产品概述,3.6.1 Lattice公司CPLD器件系列,1.ispLSI器件系列,2.ispMACH4000系列,3.Lattice EC&ECP系列,KX康芯科技,3.6 FPGA/CPLD产品概述,3.6.2 Xilinx公司的FPGA
10、和CPLD器件系列,2.Spartan&Spartan-3&Spartan 3E器件系列,5.Xilinx的IP核,3.XC9500&XC9500XL系列CPLD,4.Xilinx FPGA配置器件SPROM,KX康芯科技,3.6 FPGA/CPLD产品概述,3.6.3 Altera公司FPGA和CPLD器件系列,1.Stratix II 系列FPGA,5.MAX系列CPLD,3.ACEX系列FPGA,4.FLEX系列FPGA,2.Stratix系列FPGA,6.Cyclone系列FPGA低成本FPGA,7.Cyclone II系列FPGA,8.MAX II系列器件,9.Altera宏功能块及
11、IP核,KX康芯科技,3.6 FPGA/CPLD产品概述,3.6.4 Actel公司的FPGA器件,3.6.5 Altera公司的FPGA配置方式与配置器件,表3-2 Altera FPGA常用配置器件,KX康芯科技,3.7 编程与配置,表3-3 图3-48接口各引脚信号名称,KX康芯科技,3.7 编程与配置,3.7.1 JTAG方式的在系统编程,表3-3 图3-48接口各引脚信号名称,系统上电并正常工作时,计算机通过系统中的CPLD拥有的ISP直接对其进行编程,器件编程后立即进入正常工作,KX康芯科技,3.7 编程与配置,3.7.1 JTAG方式的在系统编程,图3-49 多CPLD芯片ISP
12、编程连接方式,3.7 编程与配置,3.7.2 使用PC并行口配置FPGAFPGA:ICR(in-circuit reconfigurability)在线可重配置方式ALTERA器件中,有7种配置模式配置器件模式PS(被动串行)PPS(被动并行同步)PPA(被动并行异步)PSA(被动串行异步)JTAGAS(主动串行),FPGA器件的三种状态配置状态 用户模式初始化状态,KX康芯科技,3.7 编程与配置,3.7.2 使用PC并行口配置FPGA,图3-50 PS模式的FPGA配置时序,KX康芯科技,3.7 编程与配置,3.7.3 FPGA专用配置器件,图3-51 EPCS器件配置FPGA的电路原理图
13、,PC对FPGA配置,在调试时方便,现场不可能每次用PC去配置,可用:EPROM、专用配置器件、单片机、CPLD、FLASH等,KX康芯科技,3.7 编程与配置,3.7.4 使用单片机配置FPGA,图3-52 用89C52进行配置,KX康芯科技,3.7 编程与配置,3.7.5 使用CPLD配置FPGA,使用单片机配置的缺点：1、速度慢，不适用于大规模FPGA和高可靠应用；2、容量小，单片机引脚少，不适合接大的ROM以存储较大的配置文件；3、体积大，成本和功耗都不利于相关的设计。,习 题,KX康芯科技,习题3-1 OLMC有何功能？说明GAL是怎样实现可编程组合电路与时序电路的。习题3-2 什么是基于乘积项的可编程逻辑结构？习题3-3 什么是基于查找表的可编程逻辑结构？习题3-4 FPGA系列器件中的EAB有何作用？习题3-5 与传统的测试技术相比，边界扫描技术有何优点？习题3-6 解释编程与配置这两个概念。习题3-7 请参阅相关资料，并回答问题：如本章给出的归类方式，将基于乘积项的可编程逻辑结构的PLD器件归类为CPLD；将基于查找表的可编程逻辑结构的PLD器件归类为FPGA，那么，APEX系列属于什么类型PLD器件？MAX II系列又属于什么类型的PLD器件？为什么？,
