第01讲优秀PPT.ppt
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1、第1章 可编程逻辑的基础学问可编程器件原理与应用1.1 1.1 绪绪 论论n 可编程逻辑器件FPGA是一种可以编程的数字集成电路IC,它包含可配置的逻辑块以及逻辑块之间的互连线。n设计人员可以通过在现场完成对这些逻辑块和互连线的配置,以实现或变更困难的电子系统的功能。nFPGA在结构、速度、工艺、集成度和性能等方面都有极大的提高,与之相对应的设计方法和自动化设计工具也得到快速的发展。1.1 1.1 绪论绪论nFPGA器件在高速处理场合运用的越来越广泛:尽管FPGA芯片的主频要低于奔腾处理器,但是由于FPGA芯片可并行处理多项任务,因此处理速度要比奔腾处理器或数字信号处理器快得多!n 比如美国赢
2、通系统公司推出一款超级的服务器。这款专为网站运行而设计的服务器尺寸仅有DVD播放机大小,工作实力却相当于,甚至超过50台戴尔、IBM或SUN公司售价5000美元的服务器。赢通公司的这款服务器并未接受目前电脑中不行或缺的微处理器。而是由FPGA芯片驱动。nFPGA芯片在确定程度上正在蚕食微处理器的市场。FPGA芯片也起先用于消费类的电子设备中,包括手机和数码相机。飞利浦、诺基亚、Palm及索尼均在其消费类的电子产品中接受了FPGA芯片。n尽管FPGA芯片的时钟频率要低于奔腾处理器,但是由于FPGA芯片可并行处理各种不同的运算,所以可完成很多困难的任务。例如全球天气建模及基因组合核对等,而且处理速
3、度比奔腾处理器或数字信号处理器快得多。在通用计算方面,FPGA仍旧不敌Intel的处理器。对于那些只须要进行重复单任务操作的机器而言,运用FPGA芯片明显是大材小用。nFPGA器件在DSP领域将要大显身手。n 随着DSP应用领域的拓宽和各类性能指标的不断提升,接受DSP处理器(如TI的TMS320C系列)的解决方案日益面临着不断增加的巨大挑战,而自身的技术瓶颈(如运行速度、吞吐量、总线结构的可变性、系统结构的可重配置性、硬件可升级性等等)致使这种解决方案在DSP的很多新的应用领域中的道路越走越窄。例如,软件无线电的概念在10年前就已提出,并附诸探讨和实现了,仅其数字中频域的信号处理的等效速度也
4、需达50GIPS,然而直到目前为止,最快的DSP处理器,TI的C6X系列也没能超过5GIPS,至于现在最常用的TMS320C54X系列处理器,也只有0.1GIPS(ALTERA 基于FPGA的DSP等效速度大于70GIPS,)。在很多应用领域,以处理器(DSP Processor)为核心的DSP系统具有很大的局限性。所以DSP处理器不是DSP系统的唯一选择;DSP技术不等于DSP处理器应用;DSP的开发应用、教学和试验不能仅仅围绕DSP处理器来进行就可以了。事实上,在DSP领域,除了一般的DSP处理器以外,利用FPGA来实现DSP系统已特别普遍。而且在很多诸照实时图象处理、联合战术无线电通信系
5、统、3G移动通信基站、实时工控系统、卫星导航设备等领域中,FPGA的DSP解决方案已成为非此莫属的选择了!1.2 可编程器件的演进n从1947年第一个晶体管诞生,为信息革命奠定了物质基础。n自1958年通用集成电路(逻辑器件)的产生,开启数字电路设计新纪元。逻辑器件是与、或、非门(74LS00,74LS04等),在此基础上可实现困难的时序和组合逻辑功能。n人们设计出很多中、小规模器件,如编码器(74LS148)、译码器(74LS154)、比较器(74LS85)、计数器(74LS193)和移位寄存器(74LS194)等等。基于的TTL逻辑设计n分立的芯片实现逻辑功能;n-NAND,OR,复用器,
6、触发器等.n通常由成本和可用的器件来确定设计的选择;基于的TTL逻辑设计真值表卡诺图A B C D X0 0 0 0 00 0 0 1 00 0 1 0 0 0 0 1 1 1.ABCD00 01 11 1000011110 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1基于的TTL逻辑设计逻辑表达式X=AB+CD+BD+BC+AD+ACX=AB CD BD BC AD AC基于的TTL逻辑设计最终的实现ABCDDQQSETCLRDQQSETCLRVCC7430740074007474X1.2 可编程器件的演进n接受中小规模器件的局限n电路板面积很大,芯片数量很多,功耗很大,牢
7、靠性低。n设计比较困难。n电路修改很麻烦。n设计方法的局限n卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。n接受“搭积木”的方法进行设计。必需熟悉各种中小规模芯片的运用方法,从中选择最合适的器件,缺乏敏捷性。n设计系统所须要的芯片种类多,且数量很大。1.2 可编程器件的演进n专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)是特地为某一应用领域或特定用户须要而设计、制造的电路,它可以将某些专用电路或电子系统设计在一个芯片上,构成单片集成系统。nASIC可分为数字ASIC和模拟ASIC。数字ASIC又为全定制和半定制两种。n全定制ASIC按特定功能以实
8、现最优性能,但其设计制作费用高、周期长,只适用于批量较大的产品。1.2 可编程器件的演进n半定制ASIC是一种约束性设计方式。主要目的是简化设计、缩短设计周期和提高芯片成品率。1.2 可编程器件的演进n可编程逻辑器件是一个重要分支。是作为通用器件生产的半定制电路,用户通过对器件编程使之实现所须要的逻辑功能。n可编程逻辑器件作为用户可配置的逻辑器件,有成本低,运用敏捷,设计周期短,而且牢靠性高,担当风险小,因而很快普及应用,发展特别快速。1.2 可编程器件的演进n最早出现的可编程逻辑器件是1970年制成的PROM,也称为可编程逻辑元件PLDn (Programmable Logic Device
9、s)。它由全译码的与阵列和可编程的或阵列组成。n可编程逻辑阵列PLA(Programmable Logic Array)是七十年头中期出现的,它由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成。其阵列规模大为削减,提高芯片利用率,但编程困难,支持其开发软件有确定的难度,没有得到广泛应用。1.2 可编程器件的演进n可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)是七十年头末期推出的,它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成。由于输出结构种类很多,设计敏捷,因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。1.2 可编程器件的演进n通用阵列逻辑GAL(Generic Array Logic)是在
10、PAL的基础上改进于八十年头初推出的。接受输出逻辑宏单元和EECOMS工艺结构,因而具有可擦除、可重复编程、数据可长期保存和可重新组合等优点。GAL比PAL运用更加敏捷,在八十年头得到广泛运用。1.2 可编程器件的演进nPAL和GAL都属于低密度PLD,其结构简洁,设计敏捷,但规模小,难以完成困难的逻辑功能。把这一类PLD称为简洁的PLD,即SPLD。n八十年头中期,出现规模更大,集成度更高,可以完成特别困难功能的PLD,把这类PLD称为困难可编程逻辑器件CPLD(Complex PLD)。1.2 可编程器件的演进n 1985年,年,Xilinx公司首推公司首推 现场可编程逻辑器件现场可编程逻
11、辑器件FPGA(Field Progammable Gate Array),它是,它是一种新型的高密度一种新型的高密度PLD,接受接受CMOS-SRAM工艺工艺制作,其结构和阵列型制作,其结构和阵列型PLD不同,内部由很多独不同,内部由很多独立的可编程逻辑块组成,逻辑块之间敏捷地相互立的可编程逻辑块组成,逻辑块之间敏捷地相互连接,具有密度高、编程速度快、设计敏捷和可连接,具有密度高、编程速度快、设计敏捷和可再配置设计实力等优点。再配置设计实力等优点。FPGA出现后受到电子出现后受到电子设计工程师地普遍欢迎,并得到快速地发展。设计工程师地普遍欢迎,并得到快速地发展。1.2 可编程器件的演进1.2
12、 1.2 可编程器件的演进n集成度高,可以替代多至几千块通用IC芯片。n极大减小电路的面积,降低功耗,提高牢靠性n具有完善先进的开发工具。n供应语言、图形等设计方法,特别敏捷n通过仿真工具来验证设计的正确性n可以反复地擦除、编程,便利设计的修改和升级。n敏捷地定义管脚功能,减轻设计工作量,缩短系统开发时间。n保密性好。1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念n 熔丝链技术:熔丝链技术:通过熔丝连通过熔丝连接的电路接的电路通过熔断后通过熔断后连接的电路连接的电路1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念n反熔丝链技术:施加电压前断开,施加电压后为导体
13、。1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念 熔丝和反熔丝都是一次性编程技术,熔丝元件要保留较大的爱护空间,芯片面积较大。而反熔丝通过击穿介质达到连通目的,因此占硅片面积小,提高芯片的集成密度很有利。反熔丝的FPGA主要优点:速度快、功耗低、非易失、抗辐射好和保密性好。反熔丝元件结构原理图1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念n可编程只读存储器可编程只读存储器PROM:n 一次性一次性PROM是由熔丝三极管构成的。用户对是由熔丝三极管构成的。用户对PROM编程是逐字逐位进行,依据写入的信息,按编程是逐字逐位进行,依据写入的信息,按字线和位线选择某
14、个存储单元,将其熔丝熔断或保字线和位线选择某个存储单元,将其熔丝熔断或保留。留。1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念 在熔丝型可编程只读存储器中,存储矩阵的在熔丝型可编程只读存储器中,存储矩阵的每个存储单元都有一个晶体三极管。该三极管每个存储单元都有一个晶体三极管。该三极管的基极和字线相连,集电极通过一段镍铬熔丝的基极和字线相连,集电极通过一段镍铬熔丝和位线相连。在正常工作电流下,熔丝不会烧和位线相连。在正常工作电流下,熔丝不会烧断,这样每个存储单元都有一个断,这样每个存储单元都有一个PN结,表示该结,表示该单元存有信息单元存有信息“0”。但是,假如在某个存储单。但
15、是,假如在某个存储单元的字线和位线之间通过几倍的工作电流,该元的字线和位线之间通过几倍的工作电流,该单元的熔丝马上会被烧断。这时字线、位线断单元的熔丝马上会被烧断。这时字线、位线断开,该单元被改写为开,该单元被改写为“1”。PROM的存储单元一旦由的存储单元一旦由“0”改写为改写为“1”或由或由“1”改写为改写为“0”,就变成固定结构,因此只能进,就变成固定结构,因此只能进行一次编程。所以可编程只读存储器行一次编程。所以可编程只读存储器(PROM)也称为一次可编程只读存储器。)也称为一次可编程只读存储器。1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念n可擦除的可编程只读存储器
16、EPROM:n Intel公 司 在 1971年 首 次 开 发 出EPROM(Erasable n PROM)。n 最早探讨成功并投入运用的EPROM是用紫外线照射进行擦除的,并被称之为EPROM。因此,现在一提到EPROM就是指 的 这 种 用 紫 外 线 擦 除 的 可 编 程 ROM(Ultra-Violet Erasable Programmable Read-Only Memory,简称 UVEPROM)。1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念 EPROM的核心技术是运用了一种浮栅雪崩注入 M
17、OS管,即FAMOS。其结构为:1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念 FAMOS管有两个重叠的栅极:一个在上面,称为限制栅,其作用与一般MOS管的栅极相像;另一个埋在二氧化硅绝缘层内,称为浮置栅。假如浮置栅上没有电荷,叠栅MOS管的工作原理就与一般MOS管相像。1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念 浮置栅上的电荷是靠漏源及栅源之间同时加一浮置栅上的电荷是靠漏源及栅源之间同时加一较大电压(例如较大电压(例如 2025V编程电压,正常编程电压,正常工作电压只有工作电压只有5V)而产生的。当源极接地时,)而产生的。当源极接地时,漏极的大电压使漏
18、源之间形成沟道。沟道内的漏极的大电压使漏源之间形成沟道。沟道内的电子在漏源间强电场的作用下获得足够的能量。电子在漏源间强电场的作用下获得足够的能量。同时借助于限制栅正电压的吸引,一部分电子同时借助于限制栅正电压的吸引,一部分电子穿过二氧化硅薄层进入浮置栅。当高压电源穿过二氧化硅薄层进入浮置栅。当高压电源(例如(例如2025V编程电压)去掉后,由于浮编程电压)去掉后,由于浮置栅被绝缘层包围,它所获得的电子很难泄漏,置栅被绝缘层包围,它所获得的电子很难泄漏,因此可以长期保存。因此可以长期保存。1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念 当浮置栅带上电子后,假如要想擦去浮置当浮
19、置栅带上电子后,假如要想擦去浮置栅上的电子,可接受强紫外线或栅上的电子,可接受强紫外线或x射线对叠射线对叠栅进行照射,当浮置栅上的电子获得足够栅进行照射,当浮置栅上的电子获得足够的能量后,就会穿过绝缘层返回到衬底中的能量后,就会穿过绝缘层返回到衬底中去。去。1.3 1.3 可编程逻辑器件的基本概念可编程逻辑器件的基本概念n电可擦除的可编程只读存储器电可擦除的可编程只读存储器EEPROM:n EEPROM(也有写成(也有写成E2PROM)是一种可以)是一种可以用电信号擦除和改写的可编程用电信号擦除和改写的可编程ROM。EEPROM的的擦除和改写电流很小,在一般工作电源条件下即擦除和改写电流很小,
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