原创 PLD/FPGA 结构与原理初步（一）

PLD/FPGA 结构与原理初步（一）

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转载自：http://www.fpga.com.cn/advance/structures/p-term.htm

        对于了解Xilinx和Altera两个大厂的CPLD和FPGA结构很有帮助，也有利于对他们芯片进行比较，由于各种理由，两个大厂CPLD/FPGA的参数各不相同，没有一个统一标准，这就对工程师选型造成困惑，所以先搞清结构，再计算实际的LUT，不要被datasheet上眼花缭乱的数字所迷惑，按照需求选择合适的CPLD/FPGA才是王道

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一.基于乘积项（Product-Term)的PLD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。

 

二.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。