可编程逻辑器件(PLD)是一种能够根据设计者的需求灵活配置其内部逻辑的集成电路,广泛应用于数字电子系统设计。本文将深入探讨CPLD(Complex Programmable Logic Device)和FPGA(Field-Programmable Gate Array)两种类型的PLD结构和逻辑实现原理。
CPLD结构基于乘积项(Product-Term)的概念,常见的如Altera的MAX7000、MAX3000系列,Xilinx的XC9500系列以及Lattice的众多产品。其内部主要由三个部分构成:宏单元(Macrocell)、可编程连线(PIA)和I/O控制块。宏单元是CPLD的基本构建模块,用于实现基本的逻辑功能,如与或非门等。可编程连线负责连接各个宏单元,实现信号传递。I/O控制块则处理输入输出的电气特性,如设置开漏输出、三态输出等。
宏单元内部包含一个乘积项阵列,其实质是一个与或阵列,交叉点的可编程熔丝决定了逻辑关系。后面接着的乘积项选择矩阵是“或”阵列,两者结合完成组合逻辑。此外,宏单元还包括一个可编程D触发器,其时钟、清零输入均可编程,可以使用全局时钟和清零,也可以使用内部逻辑生成的时钟和清零信号。如果不需触发器,可通过旁路直接将信号送至PIA或输出到I/O引脚。
PLD的逻辑实现原理可以通过实例来解释。以一个简单的电路为例,比如一个包含与门和非门的组合逻辑,通过将输入信号A、B、C、D经过可编程连线阵列,产生相应的反变量,然后通过与或运算实现所需的逻辑函数。D触发器的实现则直接利用宏单元内的可编程D触发器,其时钟信号通过全局时钟路径直接连接,触发器的输出连接到I/O引脚。
对于更复杂的逻辑,单个宏单元无法满足需求,此时可以通过并联和共享扩展项将多个宏单元相连,宏单元的输出也可以作为其他宏单元的输入,从而实现复杂的逻辑功能。
FPGA则采用查找表(Look-Up-Table,LUT)的结构,如Altera的ACEX、APEX系列和Xilinx的Spartan、Virtex系列。LUT本质上是一个小型RAM,通常为4输入的LUT,相当于一个16x1的RAM。在用户定义了逻辑电路后,开发软件会自动计算所有可能的逻辑结果,并存储在LUT的RAM中。当输入信号改变时,LUT就如同读取地址的RAM,根据输入信号值找到对应的结果并输出。
总的来说,CPLD和FPGA提供了灵活的硬件实现方案,适用于各种不同的数字系统设计。CPLD侧重于简化逻辑实现和高密度的连接,而FPGA通过LUT提供更快的逻辑运算速度和更大的设计空间。两者都依赖于先进的编程技术,使得设计师能在不改变物理硬件的情况下快速调整和优化设计。