可編程邏輯器件基礎(chǔ)

可編程邏輯器件基礎(chǔ)

1、數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)歷史-------了解歷史進(jìn)展

開始時(shí)：有復(fù)雜的邏輯關(guān)系，是我們初學(xué)者剛剛接觸的數(shù)電方面的基礎(chǔ)應(yīng)用，設(shè)計(jì)一個(gè)基礎(chǔ)的TTL邏輯，根據(jù)真值表-----卡諾圖-----簡(jiǎn)歷函數(shù)式邏輯表達(dá)式，舉個(gè)例子：X=AB+CD+BD+BC+AD+AC，需要很多的基礎(chǔ)邏輯單元，但是如果利用異或關(guān)系，可轉(zhuǎn)換成：

利用這樣的組合邏輯，這樣可以將數(shù)量眾多的基本邏輯單元簡(jiǎn)化，硬件相對(duì)變簡(jiǎn)單了。

如果邏輯功能和寄存器組合到一個(gè)部件，通過布線（布線相當(dāng)于一種控制）就可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的PAL---可編程陣列邏輯，一種簡(jiǎn)單的可編程控制單元，器件中的數(shù)量變少，占用更少的電路板，設(shè)計(jì)靈活，可防止逆向剖析，容易更新設(shè)計(jì)。

針對(duì)PAL的編程技術(shù)實(shí)質(zhì)（當(dāng)前閃存技術(shù)的關(guān)鍵）：陣列交叉（跨線）上的浮柵型晶體管（含有第二個(gè)柵極，浮動(dòng)?xùn)艠O）在加上編程電壓后，不會(huì)導(dǎo)通。以下兩種晶體管不做任何設(shè)置，都可用作N型晶體管，柵極接地時(shí)，源級(jí)和漏極導(dǎo)通。當(dāng)柵極設(shè)置電壓后，電子被限制在浮動(dòng)?xùn)艠O，縱使浮動(dòng)?xùn)艠O設(shè)置電壓值，晶體管依舊不導(dǎo)通，這樣總是關(guān)斷，相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)。

2、可編程邏輯基本技術(shù)

了解器件本身：

從PAL到可編程邏輯器件PLD，在單個(gè)器件中排列多個(gè)PAL陣列，存在可變的可乘積項(xiàng)分配和全面可編程宏單元。

可變的可乘積項(xiàng)分配：簡(jiǎn)單的想法，改變或門、與門的數(shù)量，不會(huì)浪費(fèi)邏輯門，不需要復(fù)雜的延時(shí)網(wǎng)絡(luò)。

靈活的可編程宏單元（主要進(jìn)步）：提供多種可編程選擇，實(shí)現(xiàn)乘積和輸出。

PLD進(jìn)一步發(fā)展形成復(fù)雜的PLD（CPLD）-----在一個(gè)器件中，采用可編程互聯(lián)和I/O，連接多個(gè)PLD：

CPLD的特性：

CPLD邏輯模塊通常被稱為邏輯陣列模塊（LAB），每個(gè)LAB相當(dāng)于一個(gè)PLD，含有4-20個(gè)宏單元，該宏單元還存在擴(kuò)展項(xiàng)，提供可操控的乘積項(xiàng)分配和擴(kuò)展，代價(jià)是額外的延時(shí)。即，建立一次乘積項(xiàng)就可以使用，大大減少了邏輯浪費(fèi)。

LAB之間的互聯(lián)稱為可編程互聯(lián)陣列（PI或PIA），和PAL可編程陣列相同的編程技術(shù)（兩種晶體管，EPROM、EEPROM或者閃存技術(shù)編程），配置更高級(jí)，實(shí)現(xiàn)靈活的可編程關(guān)鍵，全局布線連接器件中的任何信號(hào)和任何目的位置。

單獨(dú)的I/O控制模塊，由PI將I/O引腳與LAB分開，I/O都有專用邏輯提供控制以及更多的功能，三態(tài)緩沖控制實(shí)現(xiàn)任意引腳的輸入、輸出和雙向功能。

采用JTAG進(jìn)行在系統(tǒng)編程（ISP）

由于可編程邏輯越來越大、越來越復(fù)雜，必須放在特定的條件下編譯，器件放在特殊的單元，或者器件上加一些特殊裝置，不能在線編譯，故設(shè)計(jì)了一種和I/O分開的編程接口，幾乎所有的FPGA都使用JTAG接口，簡(jiǎn)單的4、5線串行接口，構(gòu)成單個(gè)器件長(zhǎng)1位寄存器或者多個(gè)器件的JTAG鏈，可用于器件自檢測(cè)或者系統(tǒng)編程（ISP），當(dāng)PLD硬件生成EPROM編程電壓，由JTAG接口進(jìn)行控制，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)室自編程。

從CPLD到FPGA：理論上我們可以一直增加LAB，但是這樣大大增加了額外的全局布線，但是如果LAB本身重新排列一個(gè)陣列中呢？這就是FPGA的由來。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）：LAB排列在大型陣列中，器件可以現(xiàn)場(chǎng)編程或重新編程，行列可編程互聯(lián)，通過這中互聯(lián)方式（在行列之間設(shè)置互聯(lián)布線）可以跨越所有或者部分的陣列。

FPGA的LAB設(shè)計(jì)和CPLD不同，沒有乘積項(xiàng)和宏單元，F(xiàn)PGA-LAB由邏輯單元（LE）構(gòu)成，LE級(jí)聯(lián)更容易建立復(fù)雜的功能，LE實(shí)質(zhì)是一個(gè)4位查找表（LUT）、進(jìn)位邏輯、輸出寄存器邏輯構(gòu)成。

4位查找表 LUT替代了CPLD中的乘積項(xiàng)陣列，LUT是由一系列級(jí)聯(lián)復(fù)用的器件構(gòu)成，LUT輸入作為選擇線，復(fù)用輸入作為高或者低邏輯電平，之所以邏輯被稱作查找表，通過差找正確的編程級(jí)，來選擇輸出，根據(jù)輸入的值通過復(fù)用輸入，將輸出送到正確的位置，編程級(jí)的選擇基于函數(shù)真值表，故可以靈活的建立一個(gè)組合函數(shù)（級(jí)聯(lián)復(fù)用器），減少邏輯資源浪費(fèi)。

LE同步部分來自可編程寄存器，該寄存器和CPLD宏單元相似，但配置靈活，配置為D\T\JK或者SR觸發(fā)器工作，一般由全局的時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，任何時(shí)鐘可驅(qū)動(dòng)任何LE，可通過其他邏輯或者IO進(jìn)行寄存器的異步控制，器件還可以反饋回LUT，產(chǎn)生嚴(yán)格的組合邏輯功能，這種寄存器只使用存貯、同步功能，這種靈活的LE輸出級(jí)適合所有類型的邏輯操作。

LE和宏單元不同之處在于進(jìn)位邏輯和LAB寄存器鏈邏輯，LE之間存在進(jìn)位bit鏈，這種進(jìn)位可以輸出到別的LE，也可以輸出到互聯(lián)中，寄存器輸出可以鏈接至LAB中的其他LE寄存器，形成和LUT無關(guān)的移位寄存器（適合DSP峰作），增強(qiáng)資源管理。

更高級(jí)的FPGA使用自適應(yīng)邏輯模塊（ALM）代替LE，提高性能和資源利用率，使用自適應(yīng)的LUT（ALUT）可以任意劃分，智能資源管理。

FPGA布線

所有器件資源都可以和器件中的任何布線連接，分為本地互聯(lián)（LE之間互聯(lián)、相鄰LAB直接連接）、行列互聯(lián)（固定長(zhǎng)度布線、跨過多個(gè)LAB）。

FPGA IO單元

高級(jí)可編程模塊可直接連接至行或者列互聯(lián)，具有多種優(yōu)良特性，同時(shí)存在特殊的邏輯。

其他典型FPGA特性

采用專用功能硬件模塊代替某些LAB，存儲(chǔ)器模塊、嵌入式乘法器、高速收發(fā)器。（多查一下手冊(cè)，看是否滿足要求）

FPGA編程

大部分FPGA使用SRAM單元技術(shù)（基本是個(gè)鎖存器）對(duì)互聯(lián)和LUT功能進(jìn)行編程，必須在上電時(shí)進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)易丟失。FPGA編程信息必須存儲(chǔ)在某一位置，以便在上電時(shí)對(duì)器件進(jìn)行編程。主動(dòng)編程方式：上電時(shí)FPGA自動(dòng)控制編程順序；被動(dòng)編程：智能主機(jī)（CPU）控制編程；JTAG編程：實(shí)驗(yàn)室PC端編程。

3、對(duì)比CPLD和FPGA