EDA实验讲义2021最新版
河北大学电信学院 基础教研部 1 第一章 CPLD\\\\FPGA可编程逻辑器件 1.1 前言
PLD是可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）的英文缩写。在可编程逻辑器件芯片内部，按一定的排列方式集成了大量的门和触发器等基本元件。使用者可利用特定的计算机开发工具对其进行加工，即按设计要求将这些芯片内部的元件连接起来，使之实现完成某个数字逻辑电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）。随着集成电路工艺的日趋完善，集成度急剧增加，其功能日益强大。PLD广阔的应用前景备受业内人士的瞩目。 1.2 PLD的分类
按照不同的分类方法，PLD可分为如下几种情况： （1）按集成度分
可分为低密度和高密度两大类，如图1.1所示。 图1.1 PLD按集成度的分类图
（2）按结构分
按结构的不同可分为两类：一类是基于与/或阵列结构的器件（PORM、PLA、PAL、GAL）、CPLD（EPLD）。另一类是基于门阵列结构的器件（FPGA）。 （3）按编程工艺分
① 熔丝和反熔丝编程器件。如Actel的FPGA器件。 ② SRAM器件，如Xilinx的FPGA。 ③ UEPROM器件，即紫外线擦除/电可编程器件。如大多数的EPLD器件。 ④ EEPROM器件。如GAL、CPLD器件。 1.3 PLD的发展概况
PLD从20世纪70年代发展到现在，已形成了许多类型的产品，其结构、工艺、集成度、速度和性能都在不断改进和提高。最早的PLD是1970年制成的PROM(Programmable Read Only Memory)，即可编程只读存储器，它是由固
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定的与阵列和可编程的或阵列组成。PROM采用熔丝工艺编程，只能写一次，不能擦除和重写。随着技术的发展和应用要求，此后又出现了UVEPROM(紫外线可擦除只读存储器)、
EEPROM(电可擦除只读存储器)，由于它们价格低，易于编程，速度低、适合于存储函数和数据表格，因此主要用作存储器。典型的EPROM有2716、2732等。
可编程逻辑阵列PIA(Programmable Logic Array)于20世纪70年代中期出现，它是由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，但由于器件的资源利用率低，价格较贵，编程复杂，支持PLA的开发软件有一定难度，因而没有得到广泛应用。
可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)器件是1977年美国MMI公司(单片存储器公司)率先推出的，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程方式，双极性工艺制造，器件的工作速度很高。由于它的输出结构种类很多，设计灵活，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件，如PALl6L8。
通用阵列逻辑器件GAL(Generic Array Logic)器件是1985年Lattice公司最先发明的可电擦写、可重复编程、可设置加密位的PLD。GAL在PAL基础上，采用了输出逻辑宏单元形式E2CMOS工艺结构。具有代表性的GAL芯片有GALl6V8、GAL20V8，这两种GAL几乎能够代替所有类型的PAL器件。在实际应用中，GAL器件对PAL器件仿真具有百分之百的兼容性，所以GAL几乎完全代替了PAL器件，并可以取代大部分SSI、MSI、数字集成电路，如标准的54／74系列器件，因而获得广泛应用。
PAL和GAL都属于简单PLD，结构简单，设计灵活，对开发软件的要求低，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。随着技术的发展，简单PLD在集成密度和性能方面的局限性也暴露出来，其寄存器、I/O引脚、时钟资源的数目有限，没有内部互连，因此包括EPLD、CPLD和FPGA在内的复杂PLD迅速发展起来，并向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活、适用范围更宽广的方向发展。可擦除可编程逻辑器件EPLD是20世纪80年代中期Altera公司推出的基于UVEPROM和CMOS技术的PLD，后来发展到采用E2CMOS工艺制作的PLD。EPLD的基本逻辑单元是宏单元。宏单元由可编程的与或阵列、可编程寄存器和可编程I/O三部分组成。从某种意义上讲EPLD是改进的GAL，它在GAL基础上大大增加输出宏单元的数目，提供更大的与阵列，灵活性较GAL有较大改善，集成密度大幅度提高，内部连线相对固定，延时小，有利于器件在高频率下工作，但内部互连能力十分弱。世界著名的半导体器件公司Altera、Xilinx、AMD、Lattice均有EPLD产品，但结构差异较大。 复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex PLD)是20世纪80年代末Lattice公司提出的在系统可编程(ISP，In System Programmability)技术以后于20世纪90年代初出现的。CPLD是在EPLD的基础上发展起来的，采用E2CMOS工艺制作，与EPLD相比，增加了内部连线，对逻辑宏单元和I/O单元也有重大的改进。CPLD至少包含三种结构：可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和可编程
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内部连线。部分CPLD器件内部还集成了RAM、FIFO或双口RAM等存储器，以适应DSP应用设计的要求。其典型器件有Altera的MAX7000系列，Xilinx的7000和9500 系列，Lattice的PLSI／ispLSI系列和AMD的MACH系列。
现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)器件是Xilinx公司1985年首家推出的，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS－SRAM工艺制作。FPGA的结构与门阵列PLD不同，其内部由许多独立的可编程逻辑块(CLB)组成，逻辑块之间可以灵活的相互连接。FPGA的结构一般分为三部分：可编程逻辑块、可编程I/O模块和可编程内部连线。CLB的功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置成RAM等复杂形式。配置数据存放在片内的SRAM或者熔丝图上，基于SRAM的FPGA器件工作前需要从芯片外部加载配置数据。配置数据可以存放在片外的EPROM或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程。FPGA出现后受到电子设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速。Xilinx、Altera和Actel等公司都提供高性能的FPGA芯片。 高密度PLD在生产工艺、器件编程和测试技术等方面都有了飞速发展。目前PLD的集成度非常高，如Altera公司的APEXⅡ系列器件，采用0.15μm工艺，各层都是铜金属布线，其中EP2A90的密度可达400万典型门，可为用户提供1140个I/O引脚，1Gbit／s数据速率。世界各著名半导体公司，如Altera、Xilinx、Lattice、Actel和AMD公司均可提供不同类型的CPLD、FPGA产品。众多公司的竞争促进了可编程集成电路技术的提高，使其性能不断改善，产品日益丰富，价格逐步下降。可以预计，可编程逻辑器件将在结构、密度、功能、速度和性能等方面得到进一步发展，结合EDA技术，PLD将在现代电子系统设计中得到非常广泛的应用。
1.4 Altera系列CPLD和FPGA器件
随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多IC制造厂家均已涉足CPLD／FPGA领域。目前世界上有十几家生产CPLD／FPGA的公司，最大的三家是Altera、Xilinx和Lattice-Vantis，其中Altera和Xilinx占了60％以上的市场份额。Altera在20世纪90年代以后发展很快，是最大的可编程逻辑供应商之一。Altera的CPLD器件具有良好的性能、极高的密度和非常大的灵活性，除了具有一般PLD的特点外，还具有改进的结构、先进的处理技术、现代化的开发工具以及多种宏功能模块可选用等优点。 （1）性能高 Altera器件的高性能主要体现在技术和结构上，Altera器件采用铜铝布线的先进CMOS技术，具有非常低的功耗和相当高的速度，而且它采用了连续式互连结构，能够提供快速的、连续的信号延时。 （2）逻辑集成度高
在设计过程中，设计者总是希望将更多的逻辑集成进更少的器件中，并缩小印制板的尺寸和降低成本。具有高集成能力的PLD提供了优秀的解决方案：
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