王海光数字电子技术基础 第7章 可编程逻辑器件.ppt

可配置逻辑块CLB是FPGA实现逻辑功能的主要资源。不同公司的产品结构各不相同，差异很大。通常认为CLB主要由LUT、可编程控制数据选择器和可编程控制寄存器三大部分构成，如图7.4.2所示。 7.4.2 可配置逻辑块CLB 图中LUT跟CPLD的可编程逻辑块中与或阵列的作用一样，用于生产组合逻辑函数，但是采用查表法实现的；可编程控制数选器用于设定信号的传输路径；可编程控制寄存器可跟前边LUT生成的组合函数共同构成时序逻辑。 需要说明的是，通常一个CLB所涉及的硬件资源规模远比CPLD中的一个可编程逻辑块小得多，占用的芯片面积也比可编程逻辑块小得多，所以为实现复杂系统，FPGA内部包含规模庞大的CLB阵列。 为实现CLB阵列中的CLB之间、以及CLB和IOB之间的连接，FPGA内有丰富的互连资源IR。其连接原理与CPLD中的可编程互连资源相似，但布线布局不同。 7.4.3 互连资源IR 在CPLD中，可编程互连资源布局相对集中，如图7.3.1所示，故常被称为可编程互连阵列（PIA，Programmable Interconnect Array）。 而在FPGA中，互连资源相对均匀地遍布整个芯片，如图7.4.1所示。 因不同公司产品结构差异太大，不便归纳总结，这里就不一一举例说明，有兴趣的读者可参考相关产品器件手册。 简单PLD产品因集成规模较小，片内资源很有限。即便是GAL芯片，其规模也只有通用数字MSI芯片的数倍，难以面向大型复杂数字系统，只适用于一些简单数字电子小产品的设计开发。面对大型复杂数字电子系统，须用CPLD或FPGA。 由于CPLD与FPGA的发展演变沿革不同，它们所采用的基本结构也不同，由此带来各自不同的产品优势，在实际使用中应根据设计对象的不同合理选用。 由于CPLD中可编程逻辑块的资源规模比FPGA中的CLB大得多，因此功能较强，有利于在单个可编程逻辑块中完成较复杂逻辑、获得较好的性能，但块中资源不易充分利用。FPGA恰恰相反，且因CLB规模较小，单个CLB占用芯片面积小，在集成一个可编程逻辑块所需的芯片面积上可集成大量的CLB，加上CLB的资源利用率较高，故在以单个芯片实现大系统的方面FPGA优势明显。 7.5 PLD器件的选用 由于CPLD采用与或阵列结构，且与或阵列规模较大，可每个宏单元能提供的触发器数量很有限，故而构建组合逻辑很方便，在所需触发器数量不太大的逻辑控制设计方面有较明显的优势。FPGA则不然，为提高资源利用率，LUT的规模较小，但片内CLB总量明显高于CPLD中宏单元的总量，而每个CLB单元中拥有的触发器资源通常还比一个宏单元内所含的触发器资源多，使FPGA芯片中触发器资源总量明显高于CPLD，故在需要动用大量触发器的时序逻辑电路设计方面优势突出。 由于CPLD芯片大都采用E2PROM（或Flash）工艺，因此编程后的产品使用简单，且无需外部存储器，便于保密，但芯片可承受的编程次数有限。而FPGA芯片大多采用SRAM工艺，理论上可无限次编程，这在产品研制方面优势显著，但掉电后芯片内信息会丢失，故须将编程数据需存放在片外存储器中，以便每次通电时为FPGA重新配置逻辑，不仅增加了使用的麻烦，还带来了不利于保密的问题。 7.5 PLD器件的选用 7.5 PLD器件的选用 需要说明的是，鉴于篇幅，为简明起见，以上所述仅反映了目前普遍存在、带有共性特征的情况。实际市场上可供选用的PLD产品真可谓五花八门，千差万别，且产品的更新换代日益加快。这是PLD产品使用的不断普及、应用广泛的结果。这就要求读者将来选用PLD前，须综合考察当时各具体产品的特点，对快速变化的市场产品有个相对正确的认识。比如目前在FPGA中，CLB不仅有采用“LUT”结构的，还有采用多路开关结构或多级与非门结构的产品，但总的来说，当前市场上仍以“LUT”结构的产品最常见，成为人们默认的主流产品。 另外，经多年的市场竞争与选择，各公司都在竞相借鉴并改进已有技术，新产品层出不穷，以致于连CPLD与FPGA两类不同产品之间的一些区别也渐消失。比如原先FPGA片内几乎都采用分段互连的连线结构，导致信号传输延迟不可预测，而如今就有不少FPGA是采用了类似CPLD的连续互连布线结构，也具有了CPLD时序延迟可预测的特点。当然对此也不能简单地理解为一种技术的进步，其实它只是满足了使用者更多个性化的要求和为选用者提供了更多的选择。 本章小结 习题 实践 第7章 可编程逻辑器件 * * * * * * * * * * * * * * 第7章 可编程逻辑器件 闽南师范大学 物理与信息工程学院 第7章