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goldgene

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现场可编程逻辑器件(FPLD)

一把火，呵呵。

将以前看过的文章，编辑剪裁整合，着重基础和背景的普及。
现场可编程器件有器件研发和器件应用两个方面。应用上我的经验不足，也在学习之中，准备买个USB下载器，大家共同努力学习吧。最近对器件本身很感兴趣，正在看一些内部结构的书及文章，整合的时候可能也有些偏重于内部硬件原理而不是如何应用。

一楼：基础和背景
二楼：结构和原理
三楼：厂商的概述
四楼：Verilog基础及一点FPGA课件。

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浮云:50(tao) 资料很全，很详细！

Posted: 2007-10-03 01:24 | [楼主]

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基础和背景

　　PLD是可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）的简称，FPGA是现场可编程gate阵列（Field Programmable Gate Array)的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。
PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。
　　PLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。 PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL)的进步。
　　对于PLD产品，一般分为：基于乘积项（Product-Term）技术，EEPROM（或Flash）工艺的中小规模PLD，以及基于查找表（Look-Up table）技术，SRAM工艺的大规模PLD/FPGA。EEPROM工艺的PLD密度小，多用于5,000gate以下的小规模设计，适合做复杂的组合逻辑，如译码。SRAM工艺的PLD(FPGA)，密度高，触发器多，多用于10,000gate以上的大规模设计，适合做复杂的时序逻辑，如数字信号处理和各种算法。
　　1．对于基于乘积项（Product-Term）技术，EEPROM(或Flash)工艺的PLD（如Altera的MAX系列，Lattice的大部分产品，Xilinx的XC9500，Coolrunner系列等)。这种PLD可以加密，并且很难解密，所以常常用于单板加密。
　　2．对于基于查找表（LUT，Look-Up table）技术，SRAM工艺的FPGA（如Altera的所有FPGA，如ACEX，Cyclone,Stratix系列，Xilinx的所有FPGA，如Spartan,Virtex系列，Lattice的EC/ECP系列等），由于SRAM工艺的特点，掉电后数据会消失，因此调试期间可以用下载电缆配置PLD器件，调试完成后，需要将数据固化在一个专用的EEPROM中（用通用编程器烧写，也有一些可以用电缆直接改写），上电时，由这片配置EEPROM先对FPGA加载数据，十几个毫秒到几百个毫秒后，FPGA即可正常工作。(亦可由CPU配置FPGA)。但SRAM工艺的PLD一般不可以直接加密
　　3．还有一种反熔丝（Anti-fuse）技术的FPGA，如Actel，Quicklogic的部分产品就采用这种工艺。但这种的PLD是不能重复擦写，需要使用专用编程器，所以开发过程比较麻烦，费用也比较昂高。但反熔丝技术也有许多优点：布线能力更强，系统速度更快，功耗更低，同时抗辐射能力强，耐高低温，可以加密，所以在一些有特殊要求的领域中运用较多，如军事及航空航天。为了解决反熔丝FPGA不可重复擦写的问题，Actel等公司在90年代中后期开发了基于Flash技术的FPGA，如ProASIC系列，这种FPGA不需要配置，数据直接保存在FPGA芯片中，用户可以改写（但需要10几伏的高电压）。
随着技术的发展，在2004年以后，一些厂家推出了一些新的PLD和FPGA，这些产品模糊了PLD和FPGA的区别。例如Altera最新的MAXII系列PLD，这是一种基于FPGA（LUT）结构，集成配置芯片的PLD，在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置时间极短，上电就可以工作，所以对用户来说，感觉不到配置过程，可以传统的PLD一样使用，加上容量和传统PLD类似，所以altera把它归作PLD。还有像Lattice的XP系列FPGA，也是使用了同样的原理，将外部配置芯片集成到内部,在使用方法上和PLD类似，但是因为容量大，性能和传统FPGA相同，也是LUT架构，所以Lattice仍把它归为FPGA。

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Posted: 2007-10-03 01:24 | [1 楼]

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结构与原理初步

一.基于乘积项（Product-Term)的PLD结构

1.1乘积项（Product-Term)的原理和结构
采用这种结构的PLD芯片有：Altera的MAX7000，MAX3000系列（EEPROM工艺）,Xilinx的XC9500系列（Flash工艺）和Lattice,Cypress的大部分产品（EEPROM工艺）
我们先看一下这种PLD的总体结构（以MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似）：
图片1.png
图1 基于乘积项的PLD内部结构
这种PLD可分为三块结构：宏单元（Marocell)，可编程连线（PIA)和I/O控制块。宏单元是PLD的基本结构，由它来实现基本的逻辑功能。图1中兰色部分是多个宏单元的集合（因为宏单元较多，没有一一画出）。可编程连线负责信号传递，连接所有的宏单元。I/O控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设定集电极开路输出，摆率控制，三态输出等。图1 左上的INPUT/GCLK1，INPUT/GCLRn,INPUT/OE1,INPUT/OE2 是全局时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专用连线与PLD中每个宏单元相连，信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。
宏单元的具体结构见下图：
图片2.png
图2 宏单元结构
左侧是乘积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可编程熔丝，如果导通就是实现“与”逻辑。后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。两者一起完成组合逻辑。图右侧是一个可编程D触发器，它的时钟，清零输入都可以编程选择，可以使用专用的全局清零和全局时钟，也可以使用内部逻辑（乘积项阵列）产生的时钟和清零。如果不需要触发器，也可以将此触发器旁路，信号直接输给PIA或输出到I/O脚。

1.2乘积项结构PLD的逻辑实现原理

下面我们以一个简单的电路为例,具体说明PLD是如何利用以上结构实现逻辑的，电路如下图：
图片3.png
图3
假设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f，则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D + B*C*!D ( 我们以!D表示D的“非”）
PLD将以下面的方式来实现组合逻辑f:
图片4.png
图4
A,B,C,D由PLD芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列（PIA)，在内部会产生A,A反,B,B反,C,C反,D,D反8个输出。图中每一个叉表示相连（可编程熔丝导通），所以得到：f= f1 + f2 = (A*C*!D) + (B*C*!D) 。这样组合逻辑就实现了。图3电路中D触发器的实现比较简单，直接利用宏单元中的可编程D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的全局时钟专用通道，直接连接到可编程触发器的时钟端。可编程触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3所示电路的功能。（以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预）
图3的电路是一个很简单的例子，只需要一个宏单元就可以完成。但对于一个复杂的电路，一个宏单元是不能实现的，这时就需要通过并联扩展项和共享扩展项将多个宏单元相连，宏单元的输出也可以连接到可编程连线阵列，再做为另一个宏单元的输入。这样PLD就可以实现更复杂逻辑。
这种基于乘积项的PLD基本都是由EEPROM和Flash工艺制造的，一上电就可以工作，无需其他芯片配合。

二、基于查找表（Look-Up-Table)的FPGA结构

2.1、查找表（Look-Up-Table)的原理与结构

采用这种结构的PLD芯片我们也可以称之为FPGA：如altera的ACEX,APEX系列,xilinx的Spartan,Virtex系列等。
查找表（Look-Up-Table)简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM,这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。

2.2、基于查找表（LUT)的FPGA的结构

我们看一看xilinx Spartan-II的内部结构，如下图：

图片5.png
图5. xilinx Spartan-II 芯片内部结构

图片6.png
图6.Slices结构

Spartan-II主要包括CLBs，I/O块，RAM块和可编程连线（未表示出）。在spartan-II中，一个CLB包括2个Slices,每个slices包括两个LUT，两个触发器和相关逻辑。
Slices可以看成是SpartanII实现逻辑的最基本结构 (xilinx其他系列，如SpartanXL,Virtex的结构与此稍有不同，具体请参阅数据手册）
altera的FLEX/ACEX等芯片的结构如下图：

图片7.png
图7. altera FLEX/ACEX 芯片的内部结构

图片8.png
图8.逻辑单元（LE）内部结构
FLEX/ACEX的结构主要包括LAB，I/O块，RAM块（未表示出）和可编程行/列连线。在FLEX/ACEX中，一个LAB包括8个逻辑单元（LE）,每个LE包括一个LUT，一个触发器和相关的相关逻辑。LE是FLEX/ACEX芯片实现逻辑的最基本结构(altera其他系列，如APEX的结构与此基本相同，具体请参阅数据手册）

2.3、.查找表结构的FPGA逻辑实现原理

我们还是以这个电路的为例：
图片3.png
A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到到LUT，LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3所示电路的功能。（以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预）
这个电路是一个很简单的例子，只需要一个LUT加上一个触发器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。
由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。也有少数FPGA采用反熔丝或Flash工艺，对这种FPGA，就不需要外加专用的配置芯片。

分别：
根据上面PLD的结构和原理可以知道，PLD分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至20－30多个组合逻辑输入。而FPGA的一个LUT只能处理4输入的组合逻辑，因此，PLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑。但FPGA的制造工艺确定了FPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多，往往都是几千上万，PLD一般只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，FPGA的平均逻辑单元成本大大低于PLD。所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂的时序逻辑，那么使用FPGA就是一个很好选择。同时PLD拥有上电即可工作的特性，而大部分FPGA需要一个加载过程，所以，如果系统要可编程逻辑器件上电就要工作，那么就应该选择PLD。

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Posted: 2007-10-03 01:45 | [2 楼]

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　　随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多IC制造厂家涉足PLD/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，Lattice，其中ALTERA和XILINX占有了60%以上的市场份额。
　　三家皆为美企，行业在国内的起步始自九十年代后期，复旦、西电和电子科大较早地投入研究。但直到05年成都华微电子系统公司用电子科大“成熟技术”，批量生产，为国内之先。目前仍有高校和公司在研究当中，但开始批量生产的似只有成都华微电子系统一家。

Altera.gif
　　一、ALTERA：九十年代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应商之一。主要产品有：MAX3000/7000,FLEX10K,APEX20K，ACEX1K，Stratix，Cyclone等。开发软件为QuartusII。

Xilinx(赛灵思).gif
　　二、XILIXN：FPGA的发明者，老牌FPGA公司，是最大可编程逻辑器件供应商之一。产品种类较全，主要有：XC9500，Coolrunner ，Spartan, Virtex等。开发软件为ISE。通常来说，在欧洲和美国用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。

Lattice.jpg
　　三、Lattice：Lattice是ISP技术的发明者,ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比，其开发工具略逊一筹。中小规模PLD比较有特色， 1999年推出可编程模拟器件。99年收购Vantis（原AMD子公司）,成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购agere公司（原Lucent微电子部）的FPGA部gate。主要产品有ispMACH4000，EC/ECP,XO,XP以及可编程模拟器件等。

Actel.gif
　　四、ACTEL：反熔丝（一次性烧写）PLD的[屏蔽]者，由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则较少涉足军品和宇航级市场。ACTEL在中国地区代理商是裕利（科汇二部)和世强电讯。

Cypress.gif
　　五、Cypress : PLD/FPGA不是Cypress的主要业务，但有一定的用户群，中国地区代理商有：富昌电子，德创电子等。

Quicklogic.jpg
　　六、Quicklogic :专业PLD/FPGA公司，以一次性反熔丝工艺为主，有一些集成硬核的FPGA比较有特色，但总体上在中国地区销售量不大。

Atmel.gif
　　七、ATMEl :PLD/FPGA不是ATMEL的主要业务，中小规模PLD做的不错。ATMEL也做了一些与Altera和Xilinx兼容的片子，但在品质上与原厂家还是有一些差距，在高可靠性产品中使用较少，多用在低端产品上。ATMEL代理较多，有五，六家。

　　
成都华微电子系统有限公司( Chengdu Sino Microelectronics System Co.,Ltd. 简称华微电子)是国家"909"工程集成电路设计公司之一。二ΟΟΟ年三月登记注册，落户于成都市高新技术产业开发区。注册资本金7000万元，由中国华大集成电路设计集团有限公司、成都成电大学科技园有限公司、成都创新风险投资有限公司、上海华微国际贸易有限公司共同投资创办。主要从事集成电路产品的设计、开发、应用、销售以及电子信息系统相关电子产品的开发和技术服务。
华微电子目前的主要产品有六大系列：音频放大器系列；可编程逻辑器件系列；接口电路；电池管理电路；开关调整控制电路及微处理器复位电路。

市场占有率最大的三家，几乎不涉足军品宇航级产品，而具有军品宇航性能的Actel的高端产品是对中国禁运的。因此国家在863计划中有“可编程逻辑电路核设计及编译开发”一项，并由成都华微电子接受并完成（实际上是电子科大）。不过差距之大仍然不能无视。

[ 此贴被goldgene在2007-10-03 02:45重新编辑 ]

Posted: 2007-10-03 02:19 | [3 楼]

goldgene

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Verilog基础知识　见附件。

FPGA课件一点：
已上传至　http://192.168.2.6/--==06.Study.Tools.课件==--/=====06.其他=====/电子设计/FPGA_intro.rar

但是好像不能用迅雷下载噢。大家用FTP软件吧。

[ 此贴被goldgene在2007-10-08 13:02重新编辑 ]

附件：

Verilog基础知识.rar (284 K) 下载次数:19

Posted: 2007-10-03 02:29 | [4 楼]

desert

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引用第4楼goldgene于2007-10-03 02:29发表的 :
FPGA课件

是不小心在外国网站上找到的。有点大，总共一百多M。先占个位置，等我整理一下，明早打包发上来吧。

还是发软件站吧，100多m要100多个附件

Posted: 2007-10-03 16:41 | [5 楼]

goldgene

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引用第5楼dessert于2007-10-03 16:41发表的 :

还是发软件站吧，100多m要100多个附件

噢，说的是。想想，

，换本Verilog基础。

[ 此贴被goldgene在2007-10-03 19:39重新编辑 ]

Posted: 2007-10-03 19:29 | [6 楼]

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引用第6楼goldgene于2007-10-03 19:29发表的 :

噢，说的是。想想，，换本Verilog基础。

版主哥哥说点怎么学习做硬件，要什么基础，怎么一步一步的做？？？

[ 此贴被goldgene在2007-10-03 21:43重新编辑 ]

Posted: 2007-10-03 20:13 | [7 楼]

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引用第7楼死神于2007-10-03 20:13发表的 :

版主哥哥说点怎么学习做硬件，要什么基础，怎么一步一步的做？？？

学习的步骤？？？介绍哈

Posted: 2007-10-03 20:14 | [8 楼]

tao

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引用第6楼goldgene于2007-10-03 19:29发表的 :

噢，说的是。想想，，换本Verilog基础。

孙头，你不是在网卡那边么，怎么调到FPGA这边了，可惜我和老莫到半导体测试那边去了

Posted: 2007-10-03 20:24 | [9 楼]

goldgene

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引用第7楼死神于2007-10-03 20:13发表的 :

版主哥哥说点怎么学习做硬件，要什么基础，怎么一步一步的做？？？

首先呢，一定要多来电子设计版块，呵呵。

其次呢，可以从基础的电路开始学起，比如功放、电源、单片机编程之类。
有了基础，就有了方法，你就会知道如何进一步学习，如何解决问题。

Posted: 2007-10-03 21:44 | [10 楼]

goldgene

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引用第9楼tao于2007-10-03 20:24发表的 :

孙头，你不是在网卡那边么，怎么调到FPGA这边了，可惜我和老莫到半导体测试那边去了

那所谓的网卡，只是临时帮忙的，我都没有进得去教研室，在寝室里什么都没有，不成。近期还要好好看下英语、电分和专业课，准备复试要紧。我一开始的方向选的就是FPGA。也不知道会怎样。

Posted: 2007-10-03 21:48 | [11 楼]

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更新了点FPGA课件，希望对大家有帮助。

Posted: 2007-10-08 13:03 | [12 楼]

lvdou

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我一个开始也想整这个,不过想整的是应用方面
不过没有人交流,就转ARM了
楼主的USB下载线肯定不便宜啊~

Posted: 2007-10-11 08:27 | [13 楼]

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引用第13楼lvdou于2007-10-11 08:27发表的 :

我一个开始也想整这个,不过想整的是应用方面
不过没有人交流,就转ARM了
楼主的USB下载线肯定不便宜啊~

是噢，两百四。

Posted: 2007-10-11 12:19 | [14 楼]

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5come5帮你背单词 [ headnurse // n. 护士长 ]

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5come5帮你背单词 [ topic /'topik/ n. 话题，主题 ]

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5come5帮你背单词 [ advisable /əd'vaizəbl/ a. 明智的，可取的 ]

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5come5帮你背单词 [ during /'djuəriŋ/ prep. 在…期间 ]

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5come5帮你背单词 [ amplify /'æmplifai/ vt. 扩大，加大，引伸，详述 ]

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5come5帮你背单词 [ workshop /'wə:k∫op/ n. 车间，工场，修理厂，研讨会，讲习班 ]

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5come5帮你背单词 [ prior /'praiə/ a. & ad. 优先的，在前的，在…之前 ]

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5come5帮你背单词 [ wood /wud/ n. 木材，木头，木料，(pl.)森林，林地 ]

5come5帮你背单词 [ mutton /'mΛtn/ n. 羊肉 ]

5come5帮你背单词 [ victim /'viktim/ n. 受害者，牺牲者，遇难者 ]

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5come5帮你背单词 [ blue /blu:/ a. 蓝色的，脸色发灰的，忧郁的，沮丧的；n. 蓝色 ]

现场可编程逻辑器件(FPLD)