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1、DOC.PLD是可编程逻辑器件 Programable Logic Device 的简称，FPGA是现场可编程门阵列 Field Programable Gate Array)的简称，两者的功能根本一样，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或 PLD/FPGA 。 PLD是电子设计领域中最具活力和开展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70 年代单片机的发明和使用。PLD能做什么呢？可以毫不夸X 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。 PLD如同一 X白纸或是一堆积木， 工程师可以通过传统的原
2、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 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开展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言 HDL)的进步。如何使用 PLD呢？其实 PLD的使用很简单，学习PLD比学习单片机要简单的多，有数字电路根底，会使用计算机，就可以进展 PLD的开发。不熟悉PLD的朋友，可以先看一看可编程逻辑器件的开展历程。开发 PLD需要了
3、解两个局部：1.PLD 开发软件 2.PLD 本身1.PLD 开发软件由于 PLD软件已经开展的相当完善，用户甚至可以不用详细了解PLD的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或 HDL语言来完成相当优秀的PLD设计。所以对初学者，首先应了解PLD开发软件和开发流程。了解PLD的内部结构，将有助于提高我们设计的效率和可靠性。如何获得 PLD开发软件软件呢? 许多 PLD公司都提供免费试用版或演示版(当然商业版大都是收费的，例如：可以免费从 .altera.上下载 Altera公司的 QuartusII web版，或向其代理商索取这套软件。Xilinx公司也提供免费软件： ISE Web
4、Pack,这套可以从xilinx下载。 Lattice提供 isplever Base版下载， Actel等公司也都有类似的免费软件提供。以上免费软件都需要在网上注册申请License 文件，如果您对License 的安装还有不清楚，请仔细阅读相关网页上的说明，也可以下载这篇文档：EDA软件的 license管理与安装 。 通常这些免费软件已经能够满足一般设计的需要，当然，要想软件功能更强大一些，只能购置商业版软件。如果您打算使用VHDL 或 Verilog HDL硬件描述语言来开发PLD/FPGA, 通常还需要使用一些专业的HDL开发软件 ,这是因为 FPGA 厂商提供的软件的HDL综合能力
5、一般都不是很强, 需要其他软件来配合使用, 详细情况可以通过浏览: 开发软件栏目获得等多信息 . 对于 PLD产品，一般分为：基于乘积项Product-Term 技术， EEPROM或 Flash 工艺的中小规模PLD，以与基于DOC.查找表 Look-Up table 技术， SRAM 工艺的大规模PLD/FPGA 。EEPROM 工艺的 PLD密度小，多用于5,000 门以下的小规模设计，适合做复杂的组合逻辑，如译码。SRAM 工艺的 PLD(FPGA) ，密度高，触发器多，多用于10,000 门以上的大规模设计，适合做复杂的时序逻辑，如数字信号处理和各种算法。如希望进一步了解PLD/FP
6、GA 结构与原理，请点击此处。目前有多家公司生产CPLD/FPGA ，最大的三家是：ALTERA ，XILINX，Lattice, 您可以参阅PLD厂商 栏目获得更多信息2.PLD/FPGA的分类和使用在 PLD/FPGA 开发软件中完成设计以后，软件会产生一个最终的编程文件如 .pof 。如何将编程文件烧到PLD芯片中去呢？ 1.对于基于乘积项Product-Term 技术， EEPROM( 或 Flash) 工艺的 PLD 如 Altera的 MAX 系列， Lattice的大局部产品， Xilinx的 XC9500 ，Coolrunner系列 )， 厂家提供编程电缆，电缆一端装在计算机的
7、并行打印口上，另一端接在 PCB 板上的一个十芯插头，PLD芯片有四个管脚编程脚与插头相连。如图下载 ALTERA 编程电缆 Byteblaster MV 的数据手册下载Xilinx编程电缆的电路原理图下载Lattice的电缆资料它向系统板上的器件提供配置或编程数据，这就是所谓的在线可编程ISP，如下列图。 Byteblaster使用户能够独立地配置 PLD器件，而不需要编程器或任何其它编程硬件。编程电缆可以向代理商购置，也可以根据厂家提供的编程电缆的原理图自己制作，本钱仅需一，二十元。早期的 PLD是不支持 ISP 的，它们需要用编程器烧写。目前的PLD都可以用ISP 在线编程，也可用编程器
8、编程。这种PLD可以加密，并且很难解密，所以常常用于单板加密。1. 将 PLD焊在 PCB板上 2.接好编程电缆 3.现场烧写 PLD芯片 2.对于基于查找表 LUT ， Look-Up table 技术，SRAM 工艺的 FPGA如 Altera的所有 FPGA ， 如 ACEX ， Cyclone,Stratix系列， Xilinx的所有 FPGA ，如 Spartan,Virtex系列， Lattice的 EC/ECP系列等，由于SRAM 工艺的特点，掉电后数据会消失，因此调试期间可以用下载电缆配置PLD器件， 调试完成后， 需要将数据固化在一个专用的EEPROM 中用通用DOC.编程器
9、烧写，也有一些可以用电缆直接改写，上电时，由这片配置EEPROM 先对 FPGA 加载数据，十几个毫秒到几百个毫秒后， FPGA即可正常工作。 ( 亦可由 CPU配置 FPGA) 。但 SRAM 工艺的 PLD一般不可以直接加密。 3.还有一种反熔丝Anti-fuse技术的 FPGA ，如 Actel ，Quicklogic的局部产品就采用这种工艺。但这种的PLD是不能重复擦写，需要使用专用编程器，所以开发过程比拟麻烦，费用也比拟昂高。但反熔丝技术也有许多优点：布线能力更强，系统速度更快，功耗更低，同时抗辐射能力强，耐上下温，可以加密，所以在一些有特殊要求的领域中运用较多，如军事与航空航天。为
10、了解决反熔丝FPGA不可重复擦写的问题，Actel等公司在 90 年代中后期开发了基于Flash技术的 FPGA ，如 ProASIC 系列，这种FPGA 不需要配置，数据直接保存在FPGA芯片中，用户可以改写但需要10 几伏的高电压。随着技术的开展，在2004 年以后，一些厂家推出了一些新的PLD和 FPGA ，这些产品模糊了PLD和 FPGA 的区别。例如 Altera最新的 MAXII 系列 PLD ，这是一种基于FPGA LUT 结构，集成配置芯片的PLD ，在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA ，但由于配置时间极短，上电就可以工作， 所以对用户来说， 感觉不到配置过程，可
11、以传统的PLD一样使用，加上容量和传统PLD类似， 所以 altera把它归作 PLD 。 还有像 Lattice的 XP系列 FPGA ，也是使用了同样的原理，将外部配置芯片集成到内部, 在使用方法上和PLD类似，但是因为容量大，性能和传统FPGA一样， 也是 LUT架构，所以 Lattice仍把它归为FPGA 。怎么样？对PLD/FPGA 的使用有了一定的了解了吧，如有疑问，可在本站论坛：新手入门 栏目上提出上提出，大家一起讨论。PLD/FPGA 结构与原理初步二一. 查找表 Look-Up-Table)的原理与结构采用这种结构的PLD芯片我们也可以称之为FPGA ：如 altera的 A
12、CEX,APEX 系列 ,xilinx的Spartan,Virtex系列等。查找表 Look-Up-Table)简称为 LUT，LUT本质上就是一个RAM 。 目前 FPGA中多使用4 输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4 位地址线的16x1 的 RAM 。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM, 这样，每输入一个信号进展逻辑运算就等于输入一个地址进展查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。DOC.下面是一个4 输入与门的例子，实际逻辑电路LUT的实现方式a,b,c,d 输入逻辑输出地址
13、RAM 中存储的内容0000 0 0000 0 0001 0 0001 0 . 0 . 0 1111 1 1111 1 二. 基于查找表LUT)的 FPGA的结构我们看一看xilinx Spartan-II的内部结构，如下列图：xilinx Spartan-II 芯片内部结构Slices结构DOC.Spartan-II主要包括CLBs，I/O 块， RAM块和可编程连线未表示出。在spartan-II中，一个 CLB包括 2 个 Slices,每个 slices包括两个LUT，两个触发器和相关逻辑。 Slices可以看成是 SpartanII实现逻辑的最根本结构 (xilinx其他系列， 如
14、SpartanXL,Virtex的结构与此稍有不同，具体请参阅数据手册altera的 FLEX/ACEX等芯片的结构如下列图：altera FLEX/ACEX 芯片的内部结构DOC.逻辑单元 LE内部结构FLEX/ACEX的结构主要包括LAB，I/O 块，RAM 块未表示出 和可编程行 / 列连线。 在 FLEX/ACEX中，一个LAB包括 8 个逻辑单元LE, 每个 LE 包括一个LUT，一个触发器和相关的相关逻辑。LE 是 FLEX/ACEX芯片实现逻辑的最根本结构(altera其他系列，如APEX的结构与此根本一样，具体请参阅数据手册二. 查找表结构的FPGA逻辑实现原理我们还是以这个电
15、路的为例：A,B,C,D 由 FPGA 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到到LUT ，LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中D 触发器是直接利用LUT后面 D 触发器来实现。 时钟信号CLK由 I/O 脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O 脚相连， 把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3 所示电路的功能。以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预DOC.这个电路是一个很简单的例子，只需要一个LUT加上一个触发器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路，
16、就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。由于 LUT主要适合 SRAM 工艺生产， 所以目前大局部FPGA都是基于SRAM 工艺的， 而 SRAM 工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候， 由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后 FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。也有少数FPGA采用反熔丝或Flash 工艺，对这种FPGA ，就不需要外加专用的配置芯片。三. 其他类型的FPGA和 PLD随着技术的开展，在2004 年以后，一些厂家推出了一些新的PLD和 FPGA ，这些产品模糊了PLD和 FPGA 的区别。例如Altera最新的 MAXII 系列 PLD ，这是一种基于FPGA LUT结构，集成配置芯片的PLD，在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA ，但由于配置时间极短，上电就可以工作，所以对用户来说，感觉不到配置过程，可以传统的PLD一样使用，加上容量和传统 PLD类似，所以altera把它归作PLD 。 还有像 Lattice的 XP系列 FPGA ，也是使用了同样的原
