FPGACPLD入门教程(第一章.pdf
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1、FPGA/CPLD 入门教程(第一章 FPGA/CPLD 概述)第一章 FPGA/CPLD 概述 第一章 FPGA/CPLD 概述 本章讲述了 FPGA/CPLD 的基本概念、结构、发展以及如何进行 FPGA/CPLD 设计等基本问题,初学者仔细阅读,但只需要了解,有个概念就行,不需要深入研究。1.1 FPGA/CPLD 的基本概念1.1 FPGA/CPLD 的基本概念 CPLD 是可编程逻辑器件(Complex Programable Logic Device)的简称,FPGA 是现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array)的简称,两者的功能基本相同,编程等过
2、程也基本相同,只是芯片内部的实现原理和结构略有不同(见 1.3),所以对初学者,可以忽略这两者的区别,统称为可编程逻辑器件或 CPLD/FPGA 或 PLD。简单地讲,PLD 是这样一种 ASIC(专用集成电路):内部有大量的门电路,通过软件编程可以实现这些门电路不同的连接关系,从而整个 PLD 对外就完成了不同的功能,并且这些门电路的连接关系可以不断用软件来改变。和单片机比较,PLD 在时序和延迟的实现上不如单片机,但是 PLD在芯片容量、组合逻辑、工作速度、编程难度以及可以擦写次数上(特别是 FPGA)远优于单片机。PLD 是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,它的影响丝毫不亚于
3、70 年代单片机的发明和使用。PLD 能做什么呢?可以毫不夸张的讲,PLD 能完成任何数字器件的功能,上至高性能 CPU,下至简单的 74 电路,都可以用 PLD 来实现。 沪生电子 021-53084329 021-28304329 1FPGA/CPLD 入门教程(第一章 FPGA/CPLD 概述)PLD 如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。在 PCB 完成以后,还可以利用 PLD的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用 PLD 来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少
4、PCB 面积,提高系统的可靠性。PLD 的这些优点使得 PLD 技术在 90 年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了 EDA 软件和硬件描述语言(HDL)的进步。1.2 1.2 PLD 发展历程及概述 PLD 发展历程及概述 发展历程:发展历程:当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC,几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是,随着微电子技术的发展,设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC
5、)芯片,而且希望 ASIC的设计周期尽可能短,最好是在实验室里就能设计出合适的 ASIC 芯片,并且立即投入实际应用之中,因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD),其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制,它们只能完成简单的数字逻辑功能。 沪生电子 021-53084329 021-28304329 2FPGA/CPLD 入门教程(第一章 FPGA/CPLD 概述)其后,出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片,即
6、可编程逻辑器件(PLD),它能够完成各种数字逻辑功能。典型的 PLD 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成,而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述,所以,PLD 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有 PAL(可编程阵列逻辑)和 GAL(通用阵列逻辑)。PAL 由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成,或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的,它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM 技术和EEPROM 技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA),它也由一个与”平面和一个“或”平面构成,但是这两个平面的连
7、接关系是可编程的。PLA 器件既有现场可编程的,也有掩膜可编程的。在 PAL 的基础上,又发展了一种通用阵列逻辑 GAL(Generic Array Logic),如 GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了 EEPROM工艺,实现了电可按除、电可改写,其输出结构是可编程的逻辑宏单元,因而它的设计具有很强的灵活性,至今仍有许多人使用。这些早期的 PLD 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷,20 世纪 80 年代中期。Altera 和 Xilinx 分别推出了类似于 PAL 结构的扩展型 CPLD(Comp
8、lex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列类似的 FPGA(Field Programmable Gate 沪生电子 021-53084329 021-28304329 3FPGA/CPLD 入门教程(第一章 FPGA/CPLD 概述)Array),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了 PLD 和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与门阵列等其它 ASIC(Application Specific IC)相比,它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在
9、线检验等优点,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在 10,000件以下)之中。几乎所有应用门阵列、PLD 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用 FPGA 和 CPLD 器件。(注:不同厂家的叫法不尽相同,Xilinx 把,基于查找表技术,SRAM 工艺,要外挂配置用的 EEPROM 的 PLD 叫 FPGA;把基于乘积项技术,Flash(类似 EEPROM 工艺)工艺的 PLD 叫 CPLD;Altera 把自己的 PLD 产品:MAX 系列(乘积项技术,EEPROM 工艺),FLEX 系列(查找表技术,SRAM 工艺)都叫作 CPLD,即复杂 PLD(Complex PLD)
10、,由于FLEX 系列也是 SRAM 工艺,基于查找表技术,要外挂配置用的 EPROM,用法和 Xilinx 的 FPGA 一样,所以很多人把 Altera 的 FELX 系列产品也叫做 FPGA.) 沪生电子 021-53084329 021-28304329 4FPGA/CPLD 入门教程(第一章 FPGA/CPLD 概述)FPGACPLD 概述 FPGACPLD 概述 FPGA(现场可编程门阵列)与 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件,它们是在 PAL,GAL 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的 PAL,GAL 等相比较,FPGACPLD 的规模比较大,它可以替代几十甚
11、至几千块通用 IC 芯片。这样的 FPGACPLD 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展,许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是 Xilinx 公司的 FPGA 器件系列和 Altera 公司的 CPLD 器件系列,它们开发较早,占用了较大的 PLD 市场。通常来说,在欧洲用 Xilinx 的人多,在日本和亚太地区用 ALTERA 的人多,在美国则是平分秋色。全球 PLD/FPGA 产品 60%以上是由 Altera 和Xilinx 提供的。可以讲 Altera 和 Xilinx 共同决定了 PLD 技术的发展方
12、向。当然还有许多其它类型器件,如:Lattice,Vantis,Actel,Quicklogic,Lucent 等。(99 年 Lattice 收购了 Vantis,成为第三大 PLD 供应商;同年 Xilinx 收购了 Philips 的 PLD 部门)表 1.21 1998 年世界十大 PLD 公司 排名 公司 销售额(亿美金)市场占有率 1 1 AlteraAltera 5.965.96 30.130.1 2 2 XilinxXilinx 5.745.74 29.029.0 3 3 VantisVantis 2.202.20 11.111.1 4 4 LatticeLattice 2.1
13、82.18 11.011.0 5 5 ActelActel 1.391.39 7.07.0 沪生电子 021-53084329 021-28304329 5FPGA/CPLD 入门教程(第一章 FPGA/CPLD 概述)6 6 LuccentLuccent 0.850.85 4.34.3 7 7 CypressCypress 0.440.44 2.22.2 8 8 AtmelAtmel 0.420.42 2.12.1 9 9 PhilipsPhilips 0.280.28 1.41.4 1010 QuicklogicQuicklogic 0.240.24 1.21.2 资料来源:99 年 4
14、月电子产品世界 尽管 FPGA,CPLD 和其它类型 PLD 的结构各有其特点和长处,但概括起来,它们是由三大部分组成的,一个二维的逻辑块阵列,构成了 PLD 器件的逻辑组成核心。输入输出块:连接逻辑块的互连资源。连线资源:由各种长度的连线线段组成,其中也有一些可编程的连接开关,它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。图:1.22 典型的 PLD 的框图 兰色:逻辑单元 红色:连线资源 黄色:输入输出块 沪生电子 021-53084329 021-28304329 6FPGA/CPLD 入门教程(第一章 FPGA/CPLD 概述)对用户而言,CPLD 与 FPGA 的内部结构稍有不同
15、,但用法一样,所以多数情况下,不加以区分。FPGACPLD 芯片都是特殊的 ASIC 芯片,它们除了具有 ASIC 的特点之外,还具有以下几个优点:随着 VlSI(Very Large Scale IC,超大规模集成电路)工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管,FPGACPLD 芯片的规模也越来越大,其单片逻辑门数已达到上百万门,它所能实现的功能也越来越强,同时也可以实现系统集成。FPGACPLD 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试,不需要设计人员承担投片风险和费用,设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以,FPGACPLD 的资金投入小,
16、节省了许多潜在的花费。用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以,用 FPGAPLD 试制样片,能以最快的速度占领市场。FPGACPLD 软件包中有各种输入工具和仿真工具,及版图设计工具和编程器等全线产品,电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真,直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时,更能显示出 FPGACPLD 的优势。电路设计人员使用 FPGACPLD 进行电路设计时,不需要具备专门的 沪生电子 021-53084329 021-28304329 7FPGA/CPLD 入门教程(第一章 FPGA/CPLD 概述)IC(
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