《电路基础与集成电子技术-电子教案与习题解答-蔡惟铮 第16章 半导体存储器和可编程逻辑器件16.5 可编程逻辑器件简介》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电路基础与集成电子技术-电子教案与习题解答-蔡惟铮 第16章 半导体存储器和可编程逻辑器件16.5 可编程逻辑器件简介（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、16.5 可编程逻辑器件简介,16.5.1 PLD的发展,16.5.2 FPGA的结构,16.5.1 PLD的发展,集成电路的发展，一是集成度的提高，从小规模集成电路到超大规模集成电路；二是逻辑功能的完善，除通用集成电路外，各种功能的专用集成电路大量出现；三是可编程器件的出现，可根据需要编程，并可擦除重新编写程序。,可编程逻辑器件PLD出现于70年代，是一类半定制逻辑器件，它为允许用户最终把自己所设计的逻辑电路直接写入到芯片上提供了技术基础。,使用这类器件可及时方便地研制出各种所需的逻辑电路，并可重复擦写多次，因而它的应用越来越受到重视，上节存储器中介绍的PROM、EPROM、E2PROM皆属
2、于可编程逻辑器件。,可编程逻辑器件大致经历了从PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD、FPGA、 CPLD的发展过程，在结构、工艺、集成度、功能、速度和灵活性方面都有很大的改进和提高。,可编程逻辑器件大致的演变过程如下：,170年代，熔丝编程的只读存储器PROM和可编程逻辑阵列PLA（Programmable Logic Array）器件是最早的可编程逻辑器件。70年代末，AMD公司开始推出可编程阵列逻辑PAL （Programmable Array Logic）器件。,280年代初，Lattice公司发明可电擦写的，比PAL使用更灵活的通用阵列逻辑GAL（Generic Array Lo
3、gic）器件。具有电擦写、重复编程、可长期保存数据、具有加密位和进行结构重组等优点，使GAL几乎完全取代了PAL。,380年代中期，Xilinx公司提出现场可编程概念，同时生产了世界上第一片现场可编程门阵列FPGA（Field Program-mable Gare Array）器件，同一时期，Altera公司推出了可擦除可编程逻辑器件EPLD(Erasable Programmble Logic Device)器件，较GAL器件有更高的集成度，可以用紫外线或电擦除。FPGA的出现极大地方便了设计人员，从而促使FPGA更快速地发着，目前Altera、Xilinx等公司都能提供品质优良的各种FPG
4、A产品。,480年代末，Lattice公司又提出了在系统可编程技术isp（in Sytem Programmable），并且推出了一系列具备在系统可编程能力的器件CPLD（复杂可编程逻辑器件）。进入90年代， PLD进入飞速发展时期。器件和软件几乎每两三年更新一次。这些PLD器件按着集成度分为低密度可编程逻辑器件（LDPLD）和高密度可编程逻辑器件（HDPLD）。,5. 片上可编程系统SOPC(System on a Programmable Chip)在上世纪末出现，它将EDA技术、计算机系统、嵌入式系统、自动化控制系统、DSP以及通讯系统等有机的融合在一起。用可编程逻辑技术把整个系统集成在
5、一起，它至少包含一个嵌入式处理器的IP (Intellectual Property core)硬核或软核CPU、 PLD、高速存储器、各种接口等丰富的资源。硬核是通过集成电路工艺版图而制造的硬件电路，软核是用与工艺无关的VHDL程序编制而成，可移植到SOPC中，可实现软硬件协同设计。SOPC是现代电子技术和电子系统设计的深层次的融合，是电子技术继可编程逻辑器件之后又一次新的发展，目前Altera公司、Xilinx公司有多种芯片面市。,在此我们从各种PLD器件中选取具有代表性的Altera公司的FPGA器件加以简要的介绍，为进一步掌握可编程器件打下必要的基础。,16.5.2 FPGA的结构,F
6、PGA的结构如图图16.4.8所示，它由可编程逻辑单元块CLB（Configurable Logic Block）、可编程I/O单元、嵌入式RAM、可编程布线资源IR（Interconnect Resouce）、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核构成，下面就主要部分加以说明。,FPGA中除了个别的几个引脚以外，大部分引脚都与具有双向功能的可编程I/O单元相连，均可根据需要设置成输入端或输出端。,每个可编程逻辑单元块CLB中都包含组合逻辑电路和存储电路（触发器）两部分，可以设置成一定规模的组合逻辑电路或时序逻辑电路。,图16.4.8 FPGA的结构,为了能将这些CLB灵活地连接成各种应用电路，在CL
7、B之间的布线区内配备了丰富的连线资源。这些互连资源包括不同类型的金属线、可编程的开关矩阵和可编程的连接点。,静态存储器的存储单元有很强的抗干扰能力和很高的可靠性。但停电以后存储器中的数据不能保存，因而每次接通电源以后必须重新给存储器“装载”编程数据。装载的过程是在FPGA内部的一个时序电路的控制下自动进行的。这些数据通常都需要存放在一片EPROM当中。,FPGA的这种CLB阵列结构形式克服了早期与-或逻辑阵列结构的局限性，在组成一些复杂的、特殊的数字系统时显得更加灵活。同时，由于加大了可编程I/O端数目，一般都会达到几十个，使得各引脚信号的安排更加方便和合理。,内嵌专用硬核是通过版图工艺而制造
8、的硬件电路，硬IP核最大的优点是确保性能，如速度、功耗等。然而，硬核难以转移到新工艺或集成到新结构中，是不可重配置的，为此也常用软核。软核是用VHDL等硬件描述语言描述的功能块，需要植入FPGA中。,FPGA本身也存在着一些明显的缺点。首先，它的信号传输延迟时间不是确定的。在构成复杂的数字系统时一般总要将若干个CLB组合起来才能实现。而由于每个信号的传输途径各异，所以传输延迟时间也就不可能相等。这不仅会给设计工作带来麻烦，而且也限制了器件的工作速度。,其次，由于FPGA中的编程数据存储器是一个静态随机存储器结构，所以断电后数据随之丢失。因此，每次开始工作时都要重新装载编程数据，并需要配备保存编程数据的EPROM。这些都给使用带来一些不便。,
