EDA技术与应用课件-4-pld器件介绍
可编程逻辑器件(PLD)
PLD开发工具提供了完整的解决方案，包括设计输入、综合、布局布线、仿真和调试等功能。这些工 具支持多种PLD器件和编程语言，使得设计师能够高效地实现数字电路设计和PLD编程。
05
PLD的未来发展与挑战
PLD的未来发展趋势
更高的集成度
随着半导体工艺的进步，PLD将实现更高的集成度，具备更强大 的计算和数据处理能力。
现代阶段
随着技术不断发展，PLD 的集成度更高，功能更强 大，应用领域更广泛。
PLD的应用领域
通信领域
用于实现通信协议的转换、信号处理和调制 解调等功能。
工业控制
用于实现自动化控制、电机驱动和传感器数 据处理等功能。
数字信号处理（DSP）
用于实现图像处理、语音识别和数字信号处 理算法。
计算机硬件设计
安全与可靠性问题
随着PLD在关键领域的应用增加， 安全和可靠性问题成为关注的焦 点，需要加强安全机制和可靠性 设计。
知识产权保护
随着PLD技术的不断进步和应用 领域的拓展，知识产权保护成为 重要问题，需要加强知识产权保 护措施。
PLD的发展前景与展望
拓展应用领域
随着PLD技术的不断成 熟，其应用领域将进一 步拓展，尤其是在人工 智能、物联网、5G等领 域。
布线策略
选择合适的布线策略，确 保信号传输的可靠性和效 率。
物理验证
检查布局和布线后的设计 是否满足时序和功耗要求。
配置与下载
生成配置文件
根据设计结果，生成用于配置PLD的二进制 文件。
下载与配置
将配置文件下载到PLD中，完成硬件电路的 配置。
测试与验证
在实际硬件环境中测试设计的正确性和性能。
04
复杂可编程逻辑器件(CPLD)
PLD器件基础及开发系统介绍(PPT34页)
B RT
集成电子技术基础教程
状态图描述
状态图是一种直观描述时序逻辑的方法，状态图描述方式是 由状态图标题语句，状态描述语句和状态转移语句三部分组成。
格式： STATE_DIAGRAM 状态寄存器标识符 {状态表达式：方程式；}
具体见时序电路
B RT
集成电子技术基础教程
测试矢量
格式： TEST_VECTORS(输入标识符集->输出标识符集)
其硬件结构产生影响，它的工作速度一般较低； 标准逻辑器件
使用方便、价格便宜，但其规模一般较小，一个数字系统往往 要用几十片甚至上百片标准逻辑器件来完成； 半定制、全定制ASIC
产品开发需要半导体厂家参与，周期长、费用高，其开发不可 能普及； PLD器件 （1）逻辑功能可编程。（2）器件规模很大。（3）工作速度很高。 （4）使用相对复杂。
枚举法与界限符法可以联合使用。
注意 只有类型相同、长度相同的集合才可一起参与运算。
B RT
集成电子技术基础教程
ABEL源文件的基本结构
ABEL源文件是由一个或多个相互独立的模块组成，每个模块包括
一个或多个完整的逻辑描述。简单的源文件可以只包含一个模块，而
复杂的源文件可能包括多个模块。
模块基本结构如下：
格式： @directive [options]；
ABEL语言中的指示字为：
@ALTERNATE @CARRY
@DCSTATE
@EXPR
@IFB
@IFDEF
@IFNDEF
B RT
集成电子技术基础教程
WHEN-THEN-ELSE语句
格式： WHEN 条件 THEN 逻辑方程1; ELSE 逻辑方程2;
可编程逻辑器件--PLDEDA设计的硬件实现载体ppt课件
PLD的发展趋势
向高集成度、高速度方向进一步发展。
最高集成度已达到800万门
向低电压和低功耗方向发展。 5V3.3V2.5V1.8V更低
内嵌多种功能模块。
RAM，ROM，FIFO，DSP，CPU (SOC)
向数、模混合可编程方向发展。
大的PLD生产厂家
altera
最大的PLD供应商之一
An Bn Cn
“或”阵列 （固定）
AnBnCn AnBnCn
AnBnCn AnBnCn
AnBn
AnCn
“与”阵列 (可 编 程 )
S n C n+1
SnAnBnCnAnBnCnAnBnCnAnBnCn Cn1AnBnAnCnBnCn
BnCn
2.5.4 GAL结构
GAL器件 与PAL器件的 区别在于用 可编程的输 出逻辑宏单 元（OLMC） 代替固定的 或阵列。可 以实现时序 电路。
EPLD ,CPLD,FPGA 可用于设计大规模的数字系统集成度高，甚至可
以做到SOC（System On a Chip）,PSOC(可编程系 统级芯片) 。
PLD器件的分类－－按结构特点
基于与或阵列结构的器件－－阵列型
PROM，EEPROM，PAL，GAL，CPLD CPLD的代表芯片如：Altera的MAX系列
逻辑阵 列模块
I/O单元
连线资源 逻辑阵列模块中包含多个宏单元
乘积项逻辑阵列
乘积项选择矩阵 宏单元内部结构
可编程 触发器
可编程的I/O单元
能兼容TTL和CMOS多种接口和电压标准。 可配置为输入、输出、双向、集电极开路和三
态等形式。 能提供适当的驱动电流。 降低功耗，防止过冲和减少电源噪声。 支持多种接口电压（降低功耗）。
(ppt版)可编程逻辑器件PLD培训教材
多触发器结构
异步时钟 和时钟 (shízhōng)
(shízhōng)
选择
异步清零与异步予置
I/O端口的复用功能
乘积项共享阵列
高速度、低功耗
高保密性
第二十九页，共五十三页。
FPGA/CPLD结构(jiégòu)
二维的逻辑块阵列(zhèn liè)〔逻辑单元〕
可编程的输入/输出单元
可编程的互连资源
➢在系统可编程特性 ➢可靠性高、保密性强
第三页，共五十三页。
三、PLD分类(fēn lèi)
➢ 低密度PLD
➢可编程阵列逻辑PAL ➢通用阵列逻辑GAL
➢ 高密度PLD
➢复杂可编程逻辑器件(qìjiàn)CPLD ➢现场可编程门阵列FPGA
第四页，共五十三页。
第五页，共五十三页。
四、PLD器件设计(shèjì)流程
1
1
带寄存器组合输出
0
1
0
寄存器输出
第二十五页，共五十三页。
专用(zhuānyòng)组合输出及专用(zhuānyòng)输入模式
第二十六页，共五十三页。
三态控制组合(zǔhé)输出模式
第二十七页，共五十三页。
存放 器输出模式 (cúnfàng)
第二十八页，共五十三页。
集成密度高
宏单元组态灵活
第三十页，共五十三页。
MAX7000结构(jiégòu)框图
第三十一页，共五十三页。
结构 框图 MAXⅡ
(jiégòu)
第三十二页，共五十三页。
宏单元
第三十三页，共五十三页。
FLEX10K逻辑(luó 结构 jí)
第三十四页，共五十三页。
FLEX10K逻辑(luó jí)单元LE
可编程逻辑器件PLDProgrammableLogicDevice一课件
10
例4.9.1 试判断下图中的两个电路是否存在竞争-冒险现 象。已知任何瞬间输入变量只可能有一个改变状态。
解： a图：
b图：
当B=C=1时，
有竞争-冒险
当A=C=0时
则判定两电路有竞争—冒险的可能
11
三、消除竞争—冒险现象的方法
1、在电路的输出端接入滤波电容。 在可能产生冒险的门电
14
思考题
P186 R4.6.1 P205 4.32
15
9
*二、检查竞争—冒险现象的方法
原则：检查是否有这样的输出门，当电路的输入信号变 化时，它的两个输入信号同时向相反的逻辑电平跳变。
1、化简法（对于简单的逻辑函数） 只要逻辑函数在一定的条件下能化成Y=AA 或 Y=A+A 的形式，则可判定其电路有竞争—冒险的可能。
2、用计算机辅助分析的手段检查复杂的数字系统 3、实验法
由用户通过编程来设定。
Ø 与小规模通用型集成电路相比，用PLD实现数字系统，
有集成度高、速度快、功耗小、可靠性高等优点。
Ø 与大规模专用集成电路相比，用PLD实现数字系统，有
研制周期短、先期投资少、无风险、修改逻辑设计方便、
小批量生产成本低等优势。
Ø PLD诞生于70年代。经历了从PROM、PLA、PAL、
路输出端并接一个滤波电容 （一般为几十～几百pF）；
利用 电容两端的电压不 能突变的特性，使输出波形 上升沿和下降沿都变得比较 缓慢，从而消除冒险现象。
12
2、在电路的输入端引入选通脉冲。
使电路静态时工作，动 态时（即跳变时）封锁。
A
1
P
A
A
tpd
EDA技术与应用(可编程逻辑器件)PPT课件
7.1 可编程逻辑器件的基本原理 7.2 可编程逻辑器件的设计技术 7.3 可编程逻辑器件的编程与配置
1
7.2 可编程逻辑器件的设计技术
7.2.1 概 述
在PLD没有出现之前，数字系统的传统设计往往采用 “积木” 式的方法进行，实质上是对电路板进行设计，通 过标准集成电路器件搭建成电路板来实现系统功能，即先 由器件搭成电路板，再由电路板搭成系统。数字系统的 “积木块”就是具有固定功能的标准集成电路器件，如 TTL的74/54系列、CMOS的4000/4500系列芯片和一些固 定功能的大规模集成电路等，用户只能根据需要选择合适 的集成电路器件，并按照此种器件推荐的电路搭成系统并 调试成功。设计中，设计者没有灵活性可言，搭成的系统 需要的芯片种类多且数目大。
1
2
3
4
5
9
10
1k GND
图7.22 CPLD编程下载连线图
12
由于ISP器件具有串行编程方式，即菊花链结 构，其特点是各片共用一套ISP编程接口，每片的 SDI输入端与前一片的SDO输出端相连，最前面一 片的SDI端和最后一片的SDO端与ISP编程口相连， 构成一个类似移位寄存器的链形结构。因此采用 JTAG模式可以对多个CPLD器件进行ISP在系统编 程，多CPLD芯片ISP编程下载的连线如图7.23所示。
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Altera的MAX7000系列器件或其他JTAG器件 1k TDO TDI TDO TDI TDO TDI
TCK TMS
TCK TMS
TCK TMS
1k 1 3 5
9
1k
图7.23 多CPLD编程下载连线图
VCC
2 4 10
GND
可编程逻辑器件(PLD)课件(PPT电子教案)
GAL的编程有相应的软件，可以用逻辑图的形式给 的编程有相应的软件， 的编程有相应的软件 出，也可以用特定格式的表达式描述。 也可以用特定格式的表达式描述。
无论用什么方式描述逻辑功能， 无论用什么方式描述逻辑功能最终都要编译成对 应交叉点通断的编程文件，最后用编程器写入就可以了。 应交叉点通断的编程文件，最后用编程器写入就可以了。 GAL设有加密位，加密后不能读出内部的编程状态。 设有加密位， 设有加密位 加密后不能读出内部的编程状态。 但目前有解密的方法，所以不可靠。 但目前有解密的方法，所以不可靠。
CPLD的主要特点： 的主要特点： 的主要特点
• 可重复编程、擦除或配置数据。 可重复编程、擦除或配置数据。 • 采用多种存储器类型 采用多种存储器类型EPROM、E2PROM、FLASH 、 、 密度、速度、可靠性），低功耗。 ），低功耗 和SRAM等，高（密度、速度、可靠性），低功耗。 等 • 内部时间延迟固定、可预测，易消除冒险竞争。 内部时间延迟固定、可预测，易消除冒险竞争。 • 有多级加密位，具有较好的保密性。 有多级加密位，具有较好的保密性。
分区阵列结构的CPLD----将整个器件划分为若干 将整个器件划分为若干 分区阵列结构的 个区域，每个区域相当于一个GAL，通过全局互连总 个区域，每个区域相当于一个 ， 线将各个区域连接起来。 线将各个区域连接起来。
下面介绍一下分区阵列结构的几种形式。 下面介绍一下分区阵列结构的几种形式。
电子发烧友 电子技术论 坛
坛
一、可编程逻辑器件 EPROM、E2PROM都是可编程器件，可以实现组合 、 都是可编程器件， 都是可编程器件 逻辑函数，但它们的主要用途是存储数据， 逻辑函数，但它们的主要用途是存储数据，所以将它们 单列出去。 单列出去。 通常我们所说的可编程逻辑器件主要由以下几种： 通常我们所说的可编程逻辑器件主要由以下几种： 可编程逻辑阵列（ 与阵列” 可编程逻辑阵列（PLA）——“与阵列”、“或阵 ） 与阵列 都可编程，更加灵活， 与阵列” 列”都可编程，更加灵活，“与阵列”可有选择地提供 部分最小项，有利于简化电路。一次性编程。 部分最小项，有利于简化电路。一次性编程。 可编程阵列逻辑（ 与阵列” 可编程阵列逻辑（PAL） ——“与阵列”可编程， ） 与阵列 可编程， 或阵列”固定，输出形式多种多样可选：三态、反馈、 “或阵列”固定，输出形式多种多样可选：三态、反馈、 触发器，但不可全部兼得。一次性编程。 触发器，但不可全部兼得。一次性编程。 电子发烧友
可编程逻辑器件PLD讲义
可编程逻辑器件PLD讲义1. 引言可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是现代电子领域中非常重要的元器件。
它们在数字电路设计和嵌入式系统开发中起着关键作用。
本讲义将介绍什么是PLD以及如何使用PLD进行电路设计。
2. PLD的概述PLD是一种可以被编程的数字电路，通过在内部存储器中存储逻辑表达式或程序，在运行时根据输入信号进行逻辑运算，并产生输出信号。
PLD可以根据设计者的需求被重新编程，因此具有很高的灵活性和可重用性。
3. PLD的分类PLD可以被分为三类：可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）、可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）和可编程门阵列（Programmable Gate Array，PGA）。
3.1 可编程逻辑阵列（PLA）PLA是一种最早出现的PLD，它由一个积体门阵列和一个可编程的输出逻辑阵列组成。
PLA的积体门阵列实现了各种逻辑门的功能，并且可以通过编程将不同的输入和输出信号连接在一起，实现特定的逻辑功能。
3.2 可编程阵列逻辑（PAL）PAL是一种采用与门矩阵和与非门矩阵的组合来实现逻辑功能的PLD。
PAL具有更高的可编程性，可以实现更复杂的逻辑功能。
3.3 可编程门阵列（PGA）PGA是一种采用了更多逻辑门和可编程连接器的PLD。
PGA具有最高的可编程性，可以实现非常复杂的逻辑功能。
它是目前最常用的PLD类型。
4. PLD的优势PLD相比传统的固定功能电路具有以下优势：•灵活性: PLD可以被重复编程，允许设计者在开发过程中进行修改和更新，从而提高了设计的灵活性。
•可重用性: PLD可以在不同的项目中被重复使用，减少了设计周期和成本。
•集成度高: PLD可以实现多个逻辑元件的功能，并且可以将它们集成在一个器件中，从而减小了电路板的面积和体积。
•速度快: PLD通过硬件逻辑电路实现逻辑运算，相比软件实现的方法具有更快的速度。
EDA 数字系统设计与PLD应用
者摆脱了大量的辅助性工作，将精力集中于创造性的方案与概念的构思上。
实例： Mentor Graphics、Valid Daisy等公司的产品。PLD厂商不断更新开发软件
3
4、EDA技术的基本特征及优点 （1）硬件描述语言设计输入
使设计者在比较抽象的层次上描述设计的结构和内部特征，对设计者 的硬件知识和硬件经验要求比较低。便于复杂系统的设计。
（2）自顶向下的设计方法 使整个设计在概念上的演化从顶层到底层逐步由概括到展开，由粗 略 到精细，便于系统建模。
（3）逻辑综合、优化与仿真 将最新的算法与工程界多年的经验相结合，自动的将真值表、状态图 、或语言描述的数字系统转换为满足设计性能要求的逻辑电路。
（4）开放性与标准化 设计软件平台的结构为框架式、标准化、开放性。使设计平台可以接 纳第三方的EDA工具，设计结果的移植性和兼容好。
综合过程较VHDL稍简单，但其在高级描述方面不如VHDL。 • ABEL：一种支持各种不同输入方式的HDL，被广泛用于各种可编程
逻辑器件的逻辑功能设计，由于其语言描述的独立性，因而适用于各 种不同规模的可编程器件的设计。 • 有专家认为，在新世纪中，VHDL与Verilog语言将承担几乎全部的数 字系统设计任务。
9、 EDA技术与ASIC设计
（1）ASIC的特点与分类 区别于标准逻辑、通用存储器、通用微处理器的、面向专门应用的集 成电路。 分为模拟、数字、混合、微波等ASIC电路
（2）ASIC的设计方法 全定制法；半定制法；门阵列法；标准单元法
设计处理
• 设计处理是器件设计中的核心环节。在设计处理过程中，编 译软件将对设计输入文件进行逻辑化简、综合和优化，并适 当地用一片或多片器件自动进行适配，最后产生编程用的编 程文件。
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EDA技术与应用
前堂回顾
•Modelsim的命令行方式使用
•Verilog语法：
1.reg 类型（wire类型？）
2.运算
3.时延（`timescale，#，#(rise,fall,turn-off)）
4.语法：initial , always，assign
5.系统任务
（基本、常用任务）
$display, $monitor, $time, $finish, $stop
目前状态
•学习了基本的verilog语法（用primitives gate构建电路，少部分组合逻辑描述）•Modelsim仿真工具基本使用，仿真电路，确保设计的功能、时序正确
//实验情况？
设计最终需要转换到实际电路，怎么做？
PLD or ASIC
可编程逻辑器件PLD •Programmable Logic Device
•Design→Synthesis tool →PLD编程文件→下载到PLD设备中→Design在PLD中实现，在硬件中验证功能
•使用PLD，需要了解PLD原理，在工具帮助下完成
第3章PLD器件介绍
1.组合逻辑
2.PLD原理
3.商业PLD简介
//目的：了解PLD原理，理解随后的FPGA实验
1、组合逻辑
•组合电路与时序电路combinational ，sequential
//怎么区分组合电路与时序电路？
•组合电路输出仅依赖于输入，无记忆性•时序电路输出依赖于输入与当前状态，有记忆性（内部环回）
组合电路
•输入、输出、函数关系、时间特性•基本门都是组合电路
表达组合逻辑
•真值表
•最简式（布尔代数化简、卡诺图）•最小项和
电路表达
实际电路实现的考虑
•如何更省电路（可能并非最简式）•如何更快
•如何功耗更低
•……
如CMOS工艺中，更容易实现的门是NAND,NOR,NOT，而不是AND,OR
组合逻辑基本构建模块
•Multiplexers （MUX）
•如何实现的？可能有多种
MUX不同的实现方式
decoder
Decoder应用•地址译码
•灵活组合构成其他逻辑
组合逻辑小结
•组合逻辑是所有其他逻辑的基础！
•复杂电路都是由简单逻辑组合实现的！（电阻、电容、电感、晶体管）→基本门电路→（锁存器、触发器）→（寄存器、多路选择器、存储器）→……
2、PLD器件•从ROM开始：3输入4输出
AND-OR实现
实际ROM电路
•AND OR 在实际制造工艺中一般是NOT+NOR，NAND+ NOT实现的//why?
因此更好的实现方式是用NOR，NOT等门实现(前图中的与门、或门) //简单的逻辑转换
与门 非门+或非门
为什么不是NAND（A，B）+NOT实现?
NOT + NOR实现
•上图左侧还有简化，去掉最外层NOT，仅是连线重新改变而已
当ROM存储很大时?
•采用AND-OR结构？
•采用NOR结构？
•Fan-in很大时，NOR门PMOS串联长！
连线长，需要的门数多，面积大，速度慢！
补充：pseudo-nMOS gate •不再是正统的nmos/pmos互补
•weak来由：仅当nMOS网络没有pull-down 时，pMOS才能将输出pull-up
例子：NOR4
•优点：连线短了，速度快了，适于构建大容量存储模块
•缺点：当Y为LOW时，pMOS仍导通，VDD 与GND之间有小的短路电流，要小心设计使用！(CMOS为什么低功耗？)
•CMOS工作时，整体电路一直处于不导通状态（按互补方式连接，nmos导通时，pmos不导通；pmos导通时，nmos不导通）
•仅当状态切换的瞬间，nmos与pmos都导通。
时间短，所以功耗小！
AND阵列（实际是NOR门实现）
OR阵列：NOR+NOT=OR
固定AND，OR可编程
对应简图（“*”代表可编程）
Memory View（看做Memory）
类型
•ROM（Read Only Memory）•PROM（Programmable ROM）•EPROM（Erasable PROM）•EEPROM （Electrically EPROM）
•FLASH MEMORY
大的EEPROM，分成固定大小的区域，可单独编程
ROM-PROM-PAL-PLA
•ROM：mask-programmable •PROM：固定AND-plane,OR-plane可编程•PAL: 可编程AND-plane,固定OR-plane Programmable Array Logic
•PLA：可编程AND-plane,可编程OR-plane Programmable Logic Array
PLA实现
PAL实现
PAL product-term Expansion
Registered output and tri-state output概念
商业化PLD产品结构//要求：理解概念即可
•Altera的epld系列，MacroCell结构•从基本单元看功能：
组合电路：可以bypass寄存器
时序电路：触发器
寄存器化输出
三态输出
Feedback
CPLD （Complex PLD）(MAX7000)
MAX7000 macrocell结构
FPGA（更复杂，功能更多）
•FPGA基于SRAM技术
•CPLD基于Product-Term技术
FPGA原理
•最基本的思想：
用SRAM实现任意四输入逻辑
•任意四输入逻辑表达式展开为如下形式：Y=f(A,B,C,D)
transmission gate-based LUT
•只需更改左侧的值即可实现不同的函数功能！•左侧的值可以采用SRAM实现！
•即：改变SRAM的值，即改变了电路的功能，实现了“可编程”
•使用LUT实现了组合逻辑，时序逻辑？
加入触发器即可！
•LUT+触发器某种方式组合，形成基本逻辑宏单元
EAB结构（存储或者逻辑）
LAB结构。