可编程逻辑器件(EDA):第2章 FPGA与CPLD的结构原理-辅助课件-ST.ppt
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在电子设计自动化(EDA)领域,可编程逻辑器件(PLD)是不可或缺的一部分,它们能够根据设计需求灵活地实现逻辑功能。本章主要探讨的是两种常见的PLD类型:复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA),以及它们的结构原理。 PLD的基本概念是这样的:它由“与”阵列和“或”阵列构成,能够以“积之和”的形式实现布尔逻辑函数。简单来说,PLD允许工程师自定义电路逻辑,以适应不同的应用需求。 PLD有多种类型,包括: 1. 可编程只读存储器(PROM):其内部是固定的“与”阵列和可编程的“或”阵列,可以实现简单的逻辑功能。 2. 可编程逻辑阵列(PLA):拥有可编程的“与”和“或”阵列,提供更丰富的逻辑配置可能性。 3. 可编程阵列逻辑(PAL):这里的“与”阵列可编程,而“或”阵列是固定的,适用于特定的逻辑表达式。 4. 通用阵列逻辑(GAL):GAL与PAL类似,但增加了输出逻辑宏单元(OLMC),使得输出逻辑可以更加灵活地定制。 以PAL为例,其内部结构包括固定的“与”阵列和可编程的“或”阵列。通过编程,我们可以定义这些阵列的连接方式,以实现所需的逻辑函数。然而,如果设计的需求超出了PAL的能力范围,例如在需要更多乘积项或更复杂的逻辑操作时,就需要转向更高级的PLD,如CPLD和FPGA。 CPLD,复杂可编程逻辑器件,是从PAL和GAL发展而来的。CPLD由I/O块、功能块(FB)和互连矩阵三部分组成。其特点是结构清晰,时间可预测性较强,且采用了EEPROM工艺,支持多次编程。CPLD的扩展趋势包括可擦除PLD和FPGA。FPGA是一种更为复杂的PLD,它由大量的可编程逻辑单元(如MAX7000系列的宏单元)组成,每个逻辑单元包括逻辑阵列、乘积项选择矩阵、可编程寄存器等,并通过可编程连线阵列(PIA)进行连接,允许高度灵活的布线。 在硬件测试方面,对CPLD和FPGA的验证通常需要使用专门的编程设备和软件工具。这些工具可以生成配置文件,通过JTAG接口或其他配置方式将逻辑设计烧录到PLD中,然后通过逻辑分析仪、示波器等设备验证设计是否符合预期。 大规模PLD产品则提供了更高的集成度和性能,适用于更复杂的应用场景,如通信系统、数据中心、嵌入式系统等。随着技术的发展,PLD的性能和密度持续提升,同时功耗和成本也在不断优化,使得它们在现代电子设计中扮演着越来越重要的角色。 了解并掌握PLD、CPLD和FPGA的结构原理是电子工程和嵌入式系统设计的基础,对于实现高效、灵活的数字逻辑设计至关重要。通过熟练运用这些知识,工程师能够创建出满足特定需求的定制化硬件解决方案。
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