《可编程器件原理》课件

可编程器件原理深入探讨可编程器件的基本原理和核心技术,涵盖FPGA、CPLD等重要器件的工作机制和应用了解这些基础知识,为后续的系统设计和开发奠定坚实基础作者JY JacobYan课程内容概述可编程器件基础可编程逻辑器件架构介绍可编程器件的基本原理、分探讨可编程逻辑器件的基本结构,类及发展历史包括PROM、包括LUT、寄存器以及可编程互EPROM、EEPROM和Flash等概连资源念主要技术分析应用实例与趋势深入分析SRAM型FPGA、熔断型讨论可编程器件的应用场景,并展FPGA和CPLD的工作原理及编程望其未来发展方向技术可编程器件简介可编程器件是一种可以根据用户需求重复编程的电子器件它们具有高度灵活性和可重复编程的特点,广泛应用于数字电路设计和系统集成领域可编程器件使开发电子产品更加高效和敏捷,可快速实现电路功能的调整和升级这些器件包括可编程逻辑器件PLD、可编程逻辑阵列PLA、可编程逻辑门阵列FPGA等,具有结构简单、性能优异、功能可重构等特点,满足了电子产品快速迭代的需求可编程器件分类及特点CPLD FPGA12具有固定的逻辑资源和互连结由可编程的逻辑块和互连资源构,通过编程实现功能,擅长实现组成,可实现更加灵活和复杂的复杂逻辑功能功能ASIC PLD34为特定应用而定制的集成电路,包括PROM、EPROM、集成度高,功能特定,适用于大批EEPROM等,利用可编程连接实量生产现逻辑功能,具有较高的集成度可编程逻辑器件发展历程年代年代19601980可编程逻辑器件的概念最早出现,包括可编程只读存储器PROM和可擦除可编程可编程逻辑器件进一步发展,出现了可编程门阵列PGA和可编程逻辑器件PLD只读存储器EPROM这些早期器件标志着可编程逻辑器件的诞生这些器件提供了更强大的功能和更高的集成度123年代1970出现了第一代可编程逻辑阵列PLA和可编程逻辑设备PLD,标志着可编程逻辑器件从离散部件向集成电路的发展和PROM EPROMPROMEPROMPROM是最早出现的可编程只读存储器它可通过特殊的编程过程EPROM是基于PROM发展而来的可擦写型可编程只读存储器它采来永久存储所需的数据和程序,一经编程就不可擦写适用于小规模用紫外线照射的方式擦除存储内容,然后可以重新编程相比PROM逻辑电路和专用集成电路设计更加灵活广泛应用于嵌入式系统和可编程逻辑器件和EEPROM FlashEEPROM可电子擦除和可重复编程的非易失性存储器，可进行单字节擦除和编程，使用电压编程和擦除Flash高密度、低成本的可编程非易失性存储器，具有快速数据读取、页级擦除和电子编程等特点应用EEPROM和Flash广泛应用于嵌入式系统、控制器、移动设备等领域可编程逻辑器件的基本结构可编程逻辑器件的基本结构包括可编程逻辑块PLB、可编程互连资源PIR和可编程输入/输出PIO块PLB中包含查找表LUT和触发器,可实现组合逻辑和时序逻辑功能PIR可通过编程进行灵活互连,实现可编程连线PIO块则提供与外部器件的接口这种模块化设计使可编程逻辑器件具有高度灵活性和可重构性和寄存器的作用LUT查找表寄存器协同作用LUTLUT是可编程逻辑器件的核心功能块它寄存器在可编程逻辑器件中用于存储中间LUT和寄存器通过互连资源集成,可实现复通过预先编程的逻辑函数实现任意逻辑电运算结果和控制信号它们可以形成时序杂的组合逻辑和时序逻辑电路这是可编路的快速实现LUT可用于实现多输入逻电路,用于设计状态机、计数器和触发器等程器件灵活性和高性能的关键所在辑门、组合电路、时序电路等功能模块可编程互连资源核心阵列可编程互连资源编程接口FPGAFPGA核心由可编程逻辑块和可编程互连资可编程互连资源通过各种开关和布线通道实可通过JTAG、SPI等编程接口对FPGA进行源组成,实现数字电路的设计和变更现逻辑模块之间的灵活连接编程和配置,实现电路功能的实现和修改可编程器件的编程过程确定器件根据所需功能和性能参数选择合适的可编程器件编写设计使用硬件描述语言或电路设计工具创建电路设计编译和综合编译设计并将其转换为可编程器件可理解的格式编程和配置将编译后的文件下载到可编程器件上并进行编程测试和验证测试已编程器件并确保其按预期工作编程技术简介程序存储技术编程方式编程电路编程过程可编程器件使用多种存储技术可编程器件通常使用串行或并编程电路用于对可编程器件的编程过程包括器件擦除、检查、来保存程序指令,如PROM、行编程方式串行编程速度较功能逻辑进行配置它们通常编程和验证等步骤,确保将正EPROM、EEPROM和闪存等慢但成本低,并行编程速度更包括地址、数据和控制信号生确的逻辑功能写入器件每种技术都有不同的特点,适快但需要专用编程设备成电路合不同的应用场景型原理SRAM FPGASRAM型FPGA采用可编程的静态随机存取存储器SRAM作为其核心的可编程逻辑单元这种结构使SRAM型FPGA具有快速编程和随时重新编程的能力,很适合用于高速计算和信号处理等领域SRAM型FPGA利用SRAM单元来实现可编程逻辑,同时还包含可编程的互连资源,可以灵活地将逻辑单元连接起来实现复杂的功能通过编程可以将SRAM单元和互连资源配置为所需的电路结构型编程技术SRAM FPGA编程技术SRAM型FPGA采用静态随机存取存储器SRAM作为其可编程逻辑块的配置存储器通过编程上载配置位流,将逻辑功能和互连设置写入SRAM,从而实现FPGA的编程配置过程SRAM型FPGA的配置过程涉及从外部存储器读取配置位流,通过JTAG或专用配置接口将其写入内部SRAM配置完成后,FPGA就可以执行所需的逻辑功能灵活性SRAM型FPGA可以利用存储器特性进行现场重编程,这赋予了它更强的应用灵活性但同时也带来了配置数据易丢失的不足型编程流程SRAM FPGA电路设计1使用硬件描述语言（HDL）编写电路设计综合2将HDL设计转换为FPGA所需的逻辑门级电路布局布线3确定电路元件在FPGA芯片上的位置和互连程序生成4生成可编程的配置文件，用于配置FPGA芯片SRAM型FPGA编程流程包括四个步骤电路设计、综合、布局布线和程序生成这个流程确保FPGA芯片上的逻辑电路能够按照设计者的要求正确工作型特点与应用SRAM FPGA高性能可重编程12SRAM型FPGA采用SRAM技术SRAM型FPGA可通过软件重新实现可编程逻辑,具有高速和高编程,非常灵活,可适应不同的应密度的特点,可实现高性能的数用需求字系统设计广泛应用低功耗34SRAM型FPGA广泛应用于数字SRAM型FPGA采用CMOS技术,信号处理、通信系统、工业控具有低功耗的特点,在移动设备制、军事电子等领域和嵌入式系统中应用广泛熔断型原理FPGA熔断型FPGA采用防熔断可编程互连技术实现其可编程性该技术使用熔断导线将逻辑块相互连接,通过选择性地烧毁这些导线来实现编程熔断型FPGA具有结构简单、制造成本低等优点,但一旦编程完成后无法重新编程熔断型FPGA在安全关键型应用和低功耗场景中广泛使用,如军事、航天、工业控制等领域它们通常用于设计一次性编程的电路,提供可靠、低功耗的解决方案熔断型编程技术FPGA掩膜编程电气编程激光编程熔断型FPGA使用掩膜工艺进行编程,在通过向FPGA施加特定的电信号,使其内利用激光束选择性地切断保险丝,从而芯片制造过程中直接修改金属连线,实部的保险丝熔断或短路,从而实现编程完成熔断型FPGA的编程这种方式编现功能配置这种编程方式灵活性低,这种方式编程灵活,但需要专门的编程程快速,但需要复杂的编程设备但成本较低设备熔断型编程流程FPGA设计开发1基于FPGA逻辑设计的RTL代码编写综合2将RTL代码综合成可编程逻辑块布局布线3生成可供熔断编程的布局配置编程4利用编程器对FPGA芯片进行单次熔断编程熔断型FPGA的编程流程包括设计开发、综合、布局布线和编程四个主要阶段首先完成基于硬件描述语言的逻辑设计,然后通过综合工具生成可编程的逻辑块下一步是进行布局和布线,生成最终的可编程配置最后利用编程器对FPGA芯片进行单次熔断编程,使其达到预期功能熔断型特点与应用FPGA安全可靠高速运行采用不可擦除的熔断技术,保证了程序通过优化电路结构,实现了更快的数据的安全性和不可侵改性处理速度低功耗设计体积小巧善用电路优化和工艺改进,大幅降低了紧凑的封装设计使得熔断型FPGA非常功耗消耗适合于嵌入式应用原理及特点CPLD高集成度灵活的逻辑结构便捷的编程技术广泛的应用领域CPLD芯片集成了大量可编程逻CPLD采用多个逻辑块和可编程CPLD支持多种编程方式,如CPLD广泛应用于计算机、通信、辑单元和互连资源，可实现复互连资源的阵列结构，具有高JTAG等,能快速完成电路的编程工业控制等诸多领域,满足各种杂的逻辑功能度的可编程性和更新复杂应用需求编程技术CPLD编程硬件连接编程软件工具编程过程控制编程安全保护CPLD编程需要将CPLD芯片与设计师需要使用专业的CPLD编程软件通过JTAG接口下载CPLD编程文件包含宝贵的知编程设备通过编程接口线缆相编程软件套件,如Quartus、ISE编程文件到CPLD芯片,并进行识产权,编程软件提供安全加连通常使用JTAG接口进行等,进行电路设计、逻辑合成验证整个过程需要设计师谨密等功能来保护设计者的知识编程和编程文件生成慎操作产权编程流程CPLD设计优化1使用HDL语言编写电路设计综合与映射2将HDL代码转换为可编程逻辑模块连接P2P3确定各模块之间的连接关系编程4把设计信息下载到可编程器件CPLD的编程流程包括设计优化、综合与映射、P2P连接和最后的编程步骤首先需要使用HDL语言编写电路设计，然后进行综合和映射以将HDL代码转换为可编程逻辑模块接下来需要确定各模块之间的连接关系，最后将设计信息下载到可编程器件上完成编程应用实例CPLDCPLD广泛应用于电子产品的各个领域,如工业控制、汽车电子、通讯设备、消费电子等它们具有高集成度、低功耗、编程灵活等特点,能够有效满足日益复杂的电子系统需求CPLD在设计中可替代许多离散逻辑电路,减少硬件成本和体积其可编程特性也使得产品的功能更加灵活,更易于升级和维护可编程器件选型考虑因素性能要求资源需求关注所需的运算速度、并行度和根据电路规模和复杂度,选择拥有能耗等性能参数,选择合适的器件足够逻辑单元、存储单元和I/O引以满足应用需求脚的器件编程方式成本预算选择适合的编程技术,如SRAM型在满足性能和资源需求的前提下,FPGA或熔断型FPGA,考虑器件的选择成本最优的器件方案编程便利性可编程器件发展趋势集成度和性能不断提升功耗优化和节能化12随着制造工艺的进步,可编程器低功耗设计将成为可编程器件件的集成度和性能将持续改善,的重要发展方向,满足移动设备为更复杂的应用提供支持和物联网应用的需求可编程逻辑资源多样化编程技术简化和自动化34除了传统的可编程逻辑块,可编编程工具和流程将更加智能化程器件将集成更多异构资源,如和用户友好,降低可编程器件使嵌入式CPU、DSP、存储器等用的门槛课程总结与问答我们已经全面地探讨了可编程器件的基本原理和发展历程从PROM和EPROM到EEPROM和Flash，再到可编程逻辑器件的核心结构和编程技术，相信您已经对可编程器件有了深入的了解我们也简要介绍了SRAM型FPGA、熔断型FPGA和CPLD的工作原理和应用在选择和应用可编程器件时,需要结合实际需求和各种器件的特点进行综合考虑我们希望本课程能够为您提供全面系统的知识,助您更好地掌握可编程器件的原理与应用如果您还有任何疑问,欢迎在问答环节提出,我们将一一解答。