信息与通信大规模可编程逻辑器件.pptx

2.1 CPLD结构与工作原理结构与工作原理Lattice公司公司ispLSI系列的系列的CPLD产品为例详细介绍：产品为例详细介绍：CPLD的内部结构的内部结构；CPLD的主要技术特征；的主要技术特征；CPLD的设计编程方法的设计编程方法。2.1 CPLD结构与工作原理结构与工作原理可编程逻辑块可编程逻辑块：CPLDCPLD的主要的主要组成部分，用以实现系统逻组成部分，用以实现系统逻辑功能的配置；辑功能的配置；I/OI/O模块：模块：实现实现CPLDCPLD输入输入/输输出信号的引脚驱动及电平匹出信号的引脚驱动及电平匹配；配；可编程互联通道：可编程互联通道：实现实现CPLDCPLD内部各个功能模块的互联通内部各个功能模块的互联通信。信。CPLDCPLD的内部结构：的内部结构：ispLSI1000 ispLSI1000和和ispLSI1000EispLSI1000E系列为通用器件；系列为通用器件；ispLSI2000ispLSI2000系列的器件适用于高速系统的设计；系列的器件适用于高速系统的设计；ispLSI3000ispLSI3000系列的器件适用于复杂系统设计，集成度系列的器件适用于复杂系统设计，集成度高、速度高；高、速度高；ispLSI5000ispLSI5000系列的器件为系列的器件为68bit68bit超宽超宽输入系列；输入系列；ispLSI6000ispLSI6000系列的器件在结构上增加了系列的器件在结构上增加了存储器存储器；ispLSI8000ispLSI8000系列器件是系列器件是多寄存器超大结构多寄存器超大结构。ispMACHispMACH系列器件的特征是超大、超宽、超快；系列器件的特征是超大、超宽、超快；2.1.1 Lattice公司的公司的CPLD器件器件LatticeLattice公司的公司的ispisp系列器件主要包括系列器件主要包括ispLSIispLSI和和ispMACHispMACH系列：系列：2.1.2 ispLSI1016输出布线区ORPA0A1A2A3A4A5A6A7集总布线区（GRP）B7B6B5B4B3B2B1B0输出布线区ORP通用逻辑块（GLB）宏模块时钟分配网络I/O 0I/O 1I/O 2I/O 3I/O 4I/O 5I/O 5I/O 7I/O 8I/O 9I/O 10I/O 11I/O 12I/O 13I/O 14I/O 15I/O 16I/O 17I/O 18I/O 19I/O 20I/O 21I/O 22I/O 23I/O 24I/O 25I/O 26I/O 27I/O 28I/O 29I/O 30I/O 31通用逻辑模块通用逻辑模块GLBGLB输入输入/输出单元输出单元IOCIOC集总布线区集总布线区GRPGRP输出布线区输出布线区ORPORP时钟分配网络时钟分配网络CDNCDN2.1.2 ispLSI1016通通用用逻逻辑辑模模块块GLBGLB2.1.2 ispLSI1016输入输入/输出单元输出单元IOCIOCMUXMUXMUXMUXVccMUXMUXDQ R/L reset I/O输出至集总布线区IOCLK0IOCLK1RESET来自输出布线区来自输出布线区来自OE选择器表示EEMOS编程单元2.1.2 ispLSI1016输入输入/输出单元输出单元IOCIOC2.1.2 ispLSI1016集总布线区集总布线区GRPGRPispLSIispLSI结构的中央是全局布线区结构的中央是全局布线区(GRP)(GRP)，它连接所，它连接所有的内部逻辑：有的内部逻辑：u提供高速的提供高速的内部连线内部连线，可实现，可实现IOCIOC到到GLBGLB或者或者GLBGLB到到GLBGLB的互连。的互连。u特点是其输入输出之间的特点是其输入输出之间的延迟恒定且可预知延迟恒定且可预知。2.1.2 ispLSI1016输出布线区输出布线区ORPORP：GLBGLB和和IOCIOC之间的可编程互连阵列，之间的可编程互连阵列，可提高分配可提高分配IOIO管脚的灵活性，简化布线软件管脚的灵活性，简化布线软件2.1.2 ispLSI1016时钟分配网络时钟分配网络CDNCDN：u用于产生用于产生5 5个全局时钟信号，分配给个全局时钟信号，分配给GLBGLB和和I/OI/O用；用；u可将时钟专用可将时钟专用GLBGLB的的4 4个输出送入时钟分配网络，以建立用个输出送入时钟分配网络，以建立用户定义的内部时钟。户定义的内部时钟。通用逻辑块B0O0O1O2O3CLK0CLK1CLK2IOCLK0IOCLK1Y1Y2Y0时钟分配网络2.1.2 ispLSI1016宏模块结构：宏模块结构：器件采用的一种分块结构器件采用的一种分块结构1.Ultra-MOS工艺工艺 利用利用Ultra-MOS工艺生产的工艺生产的ispLSI器件具有器件具有高密度，高性能的特点。目前高密度，高性能的特点。目前ispLSI系列器件系列器件的系统工作的系统工作速度速度已达已达200MHz，集成度集成度可达可达58000个逻辑门。个逻辑门。2.1.3 ispLSI器件的主要技术特性器件的主要技术特性2.在系统编程功能在系统编程功能 所有的所有的ispLSI系列器件均为系列器件均为ISP器件，具有在系统编程器件，具有在系统编程能力。能力。所谓所谓“在系统可编程在系统可编程”是指对器件、电路板、整个电是指对器件、电路板、整个电子系统进行逻辑重构和功能修改的能力，这种重构可以子系统进行逻辑重构和功能修改的能力，这种重构可以在制造之前，调试过程中，甚至在交付用户使用之后进在制造之前，调试过程中，甚至在交付用户使用之后进行。行。2.1.3 ispLSI器件的主要技术特性器件的主要技术特性3.边界扫描测试功能边界扫描测试功能 边界扫描技术主要解决芯片的测试问题，借助一个边界扫描技术主要解决芯片的测试问题，借助一个4信号信号线的接口及相应的软件则可实现对电路板上所有支持边界扫线的接口及相应的软件则可实现对电路板上所有支持边界扫描的芯片内部逻辑和边界引脚的测试。描的芯片内部逻辑和边界引脚的测试。ispLSI器件中器件中ispLSI 3000、6000及及8000系列器件支持系列器件支持IEEE1149.1.边界扫描测试标准。它们可以通过边界扫描测试标准。它们可以通过5个个ISP编程编程管脚中的管脚中的4个来传递边界扫描信号。个来传递边界扫描信号。2.1.3 ispLSI器件的主要技术特性器件的主要技术特性4.加密功能加密功能 ispLSI器件具有加密功能，用于防止非法拷贝器件具有加密功能，用于防止非法拷贝JEDEC数据文件。数据文件。ispLSI器件中提供了一段特殊的加密单元，该器件中提供了一段特殊的加密单元，该单元被加密以后就不能读出器件的逻辑配置数据。由于单元被加密以后就不能读出器件的逻辑配置数据。由于ispLSI器件的加密单元只能通过对器件重新编程才能擦除，器件的加密单元只能通过对器件重新编程才能擦除，已有的解密手段一般不能破解，器件的加密特性较好。已有的解密手段一般不能破解，器件的加密特性较好。2.1.3 ispLSI器件的主要技术特性器件的主要技术特性5.短路保护短路保护 ispLSI器件采取了两种短路保护手段。首先，选用电器件采取了两种短路保护手段。首先，选用电荷泵给硅片基底加上一个足够大的反向偏置电压，这个荷泵给硅片基底加上一个足够大的反向偏置电压，这个反向偏置电压能够防止输入负电压毛刺而引起的内部电反向偏置电压能够防止输入负电压毛刺而引起的内部电路自锁；其次，器件输出采用沟道方式，取代传统的路自锁；其次，器件输出采用沟道方式，取代传统的P沟道方式，消除沟道方式，消除SCR自锁现象。自锁现象。2.1.3 ispLSI器件的主要技术特性器件的主要技术特性 编程是指将编程是指将EDAEDA软件设计的熔丝图文件软件设计的熔丝图文件（JEDECJEDEC）写入）写入PLDPLD器件的过程（下载）器件的过程（下载）。1 1、ispLSIispLSI编程信号线：编程信号线：ispENispEN：编程使能，低电平有效；：编程使能，低电平有效；SCLKSCLK：时钟；：时钟；SDISDI：串行数据输入；：串行数据输入；SDOSDO：串行数据输出；：串行数据输出；MODEMODE：方式控制。：方式控制。2.1.4 ispLSI器件的编程器件的编程2、下载电路、下载电路 编程电缆又称为下载电缆，该电缆连接计算机的并行口编程电缆又称为下载电缆，该电缆连接计算机的并行口和和ispLSI芯片。电缆中有简单的控制电路。芯片。电缆中有简单的控制电路。2.1.4 ispLSI器件的编程器件的编程LatticeLattice公司的下载电缆公司的下载电缆 3 3、多个器件的编程、多个器件的编程 有并行和串行两种方式，但都需要在有并行和串行两种方式，但都需要在EDAEDA软件的支持下完软件的支持下完成。串行菊花链编程结构：成。串行菊花链编程结构：2.1.4 ispLSI器件的编程器件的编程1 1、ispLSI 1016ispLSI 1016芯片（芯片（4444管脚）管脚）3232个个I/OI/O（0-310-31）；）；4 4个专用输入（个专用输入（IN0-3IN0-3）；）；5 5个编程信号；个编程信号；3 3个时钟输入；个时钟输入；2 2对电源。对电源。2.1.5 ispLSI1016实验板实验板 2 2、实验板组成、实验板组成 10161016芯片、下载电路、电源电路、时钟电路、输入输出芯片、下载电路、电源电路、时钟电路、输入输出设备。设备。3 3、管脚分配、管脚分配1111：时钟时钟输入，可选择输入，可选择2HZ-2KHZ2HZ-2KHZ之间之间1010个频率；个频率；15-2215-22：8 8个个输入输入开关；开关；4-104-10：7 7个发光二极管，和个发光二极管，和L1L1复用；复用；3 3：蜂鸣器；：蜂鸣器；27-3227-32、3737，38-4138-41：L2L2、L3L3（共阳共阳）2.1.5 ispLSI1016实验板实验板2.2 FPGA结构与工作原理结构与工作原理以以Xilinx公司的公司的Spartan 3E系列系列FPGA产品为例产品为例可配置逻辑块可配置逻辑块CLB可配置可配置I/O模块模块IOB可编程互联资源可编程互联资源IR2.2 FPGA结构与工作原理结构与工作原理可配置逻辑块可配置逻辑块CLB每个每个slice内部包含两个内部包含两个4输入查找表输入查找表LUT 2.2 FPGA结构与工作原理结构与工作原理u4 4输入查找表输入查找表LUTLUT2.2 FPGA结构与工作原理结构与工作原理可配置可配置I/O模块模块IOB：可配置可配置I/OI/O模块用来配置模块用来配置FPGAFPGA芯片引脚与外部模块通信信号的传输方向及输出芯片引脚与外部模块通信信号的传输方向及输出信号的驱动电流大小。信号的驱动电流大小。FPGA FPGA的引脚可配置成：的引脚可配置成：输入信号、输出信号、双输入信号、输出信号、双向传输信号及高阻态向传输信号及高阻态。可编程互联资源可编程互联资源IR：可编程互联资源连接可编程互联资源连接FPGAFPGA内部内部的各功能模块（如：的各功能模块（如：IOBIOB，CLBCLB，交换矩阵、，交换矩阵、DCMDCM、Block RAMBlock RAM等），实现各功能模块之间的通信。等），实现各功能模块之间的通信。2.3 CPLD/FPGA产品产品Altera公司产品公司产品 Xilinx公司公司 Lattice公司公司2.3.1 Altera公司产品公司产品 低成本的低成本的CycloneCyclone系列：系列：CycloneCyclone、Cyclone IICyclone II、Cyclone IIICyclone III、Cyclone IVCyclone IV、Cyclone VCyclone V等；等；中端的中端的ArriaArria系列：包括系列：包括Arria GXArria GX、Arria IIArria II、Arria Arria V V等；等；高端的高端的StratixStratix系列：包括系列：包括StratixStratix、Stratix IIStratix II、Stratix IIIStratix III、Stratix IVStratix IV、Stratix VStratix V等等2.3.2 Xilinx公司公司 CPLDCPLD产品：产品：CoolRunner、XC9500系列系列；低端低端Spartan：Spartan2、Spartan2E、Spartan3、Spartan3E、Spartan3A、Spartan6；高端高端Virtex：有：有Virtex2、Virtex2P、Virtex4、Virtex5、Virtex6、Virtex7系列。系列。2.3.3 Lattice公司公司 CPLD产品有产品有ispMACH 4000ZE、MachXO、MachXO2系列系列；LatticeECP3、LatticeECP2/M、LatticeSC/M、LatticeXP2等系列等系列 2.4 编程与配置编程与配置在系统编程在系统编程 FPGAFPGA配置配置 u主动配置方式：由主动配置方式：由FPGAFPGA从外部程序存储器从外部程序存储器EEPROMEEPROM或或FlashFlash中主动读取配置代码；中主动读取配置代码；u被动配置方式：由外部处理器将配置代码写入到被动配置方式：由外部处理器将配置代码写入到FPGAFPGA中。中。2.4 编程与配置编程与配置pJTAGJTAG模式模式：在开发软件中通过下载电缆直接将配置代：在开发软件中通过下载电缆直接将配置代码下载到码下载到FPGAFPGA，是项目设计验证阶段常用的下载方式。，是项目设计验证阶段常用的下载方式。2.5 CPLD与与FPGA比较比较oCPLD相对相对FPGA内部逻辑资源较少，且价格便宜；内部逻辑资源较少，且价格便宜；oFPGA内部资源多，并可嵌入微处理内部资源多，并可嵌入微处理IP核；核；o编程与配置；编程与配置；oCPLD结构适合于组合逻辑设计，结构适合于组合逻辑设计，FPGA适合于时序适合于时序逻辑设计。逻辑设计。oCPLD内部逻辑单元间的连线为连续式布线，信号延内部逻辑单元间的连线为连续式布线，信号延迟时间可预测，而迟时间可预测，而FPGA内逻辑单元间信号延迟不可内逻辑单元间信号延迟不可预测。预测。oCPLD保密性好，保密性好，FPGA保密性差。保密性差。o器件速度及功耗的选择。器件速度及功耗的选择。