原创 FPGA三国志--第二篇/共四篇 结构篇 不可不看的故事 ！【转载】

这个时代的强者就是---谁有最多的逻辑资源， 或者memory，谁就是老大。上面说到Lattice已经在极力扩大自己的身材， 但是他不是靠结构上的改变， 而是Lattice收购了Vantis，也就是AMD的一个做PLD的小部门。 当然在当时， AMD的Mach就这样并入了Lattice的家族。 新的问题就出现了。 好比我们现在有人用什么大灵通， 小灵通， GSM，CDMA，是有百花齐放的感觉， 但是Lattice就像变成了解放前的蒋介石， 没有办法很好的用一套工具来统一使用不同的器件。 而且本身Lattice自己当时的工具也是3个独立的工具拼凑在一起的。 那个年代， 用过Tango，后者Orcad的人都知道， 他们的图形输入是第一名的， 但是和MaxplusII比起来，自动识别对象链接， 以及和Office 95类似的快捷键， 用过Maxplusii的人， 让他们转用Viewlogic等workoffice等， 简直简直就是抹他们的脖子。 还有当时Lattice的销售团队，总是宣扬他们是最好的PLD， 有些人竟然有 “我认为64KROM，就可以应付未来所有的软件需求” 这样的论调， 认为PLD必将击败FPGA， 事实上， 市场的残酷，告诉他们那是个很冷的冬天。 于是他们又一次在2000年左右， 如同水淹七军一样的结局， 又急忙掉转船头， 收购了ORCA，可惜了ORCA是出自Lucent的一条好汉， 由于没有良好的软件支撑， 使得每个工程师必须像哪吒一样。 对了， 怎么会像哪吒？ 因为你必须有三头六臂， 如果你公司有些产品需要从32个宏单元到2000个LE的FPGA的应用， 你就必须学习3种工具来适应它。 你想想， 你是不是一定要像哪吒呢！
FPGA产品结构的共性
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1--相对的细颗粒结构EDA365论坛0 e* @& a. b+ @, ]# V" _) F
2--LUT的查找表结构
3--都有一定的逻辑模块
.首先说LUT和MUX的对比， 实际上这两种模式都可以实现逻辑， 例如Quicklogic的FPGA就是基于MUX的， 由于在90年代中期的时候， 很多优秀的工程师大多使用图形的方式输入， 所以，他们那些对于用MUX形式思维的人， 可以利用这种结构得到更好与LUT结构的设计，但是这个没有太多的benchmark来说明。 可是当需要的设计是加加减减的时候， LUT就更加高效， 特别是还有一些进位链的结构更好。
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什么样的LUT比较好EDA365论坛# T  `' w# @  j9 b) C

今天你可能发现基本上很多FPGA的结构是基于4输入的LUT，但是Xilinx早期的FPGA也是3输入的LUT，今天Actel的FPGA也是3输入的LUT。 很多公司宣称这个的粒度更好。 实际上这个结构之前争论太多了。 但是今天大家基本都是4输入的说明了这个的性能和面积是折中的考虑。
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但是今天的V5以及StratixII，III都是5输入以上的LUT,这又说明什么呢。

因为一个LUT，每增加一位， 存储容量就要增加一倍。 可是当你需要做多个数同时相加，例如A+B+C，这个时候， 6输入的LUT就可以实现这样的功能，因为现在的延迟在路由上会消耗更多。 因此能在一个模块中完成， 这样可能也代表你的关键路径能获得更好的性能。
可能立即有人说， 那我应该放些3输入的，4输入的， 5输入的LUT进入一个FPGA，这样的利用率就最好了， 实际上，大家都知道基于FPGA结构的综合也是一个卖点， 例如Synplicity公司。 结构的一致性和有规律的重复能使综合更快更加有效。 另外， 当你完成一个综合的时候， 你可以看到现在大多数工具都会告诉你，有多少3输入LE，4输入LE，或者是5，6输入的LE的需求比例。EDA365论坛网! Y" [) J% {- _" T& }% H7 a9 A  Z7 m
再次谈结构以及方法学！这里开始讲些看来与我们主题有点不搭界的东西。 EDA365论坛4 C7 |9 y* _" |# w. ^. r
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1--两个人相遇，只握1次手
2--三个人相遇，每人都握一次， 握3次手EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛) y2 v$ p& Q9 {
3--4个呢？就是2的结果加3次， 6次手
. I9 Z3 z: L2 |4--5个呢？                                  10次手。
--16个呢， 。。。。。。。天， 不少于。。。EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛8 x: n0 s: E: d* B

PLD就是这样的产物， 当逻辑模块不断增加的时候，你会发现， 路由的面积都超过了有效的逻辑面积。 而且， 越大越糟糕. 可以下载这个简单的PPT来发现一些小问题！EDA365实际上今天你可能已经了解的历史， 正是某个公司崛起的密钥。
坛1984年， Altera就是将CMOS技术和EPROM有效的结合起来， 在消耗的能够忍受的功率范围内， 提高了当时流行的使用密度， 因为， 开始就是设计状态机以及粘连逻辑的。 这里有更早的公司发明PAL。 不过， Altera是最早开创不采用百分百路由技术的用一个中间的互联阵列链接的公司。 因此他的公司产品就叫MAX，是意思为多阵列结构。
9 }( F: {; a" v4 bEDA365论坛当然这个也必须有好的软件CAE，CAD的支持， 来获得好的布通。 所以说每家FPGA的公司都必须好好研究路由和不同的技术。EDA365论坛网+ K- m. r! K& t& p2 i. g0 W" ~" p
什么样的数目比较好，对于PLD的宏单元数目实践是检验真理的唯一标准。 有人说了， 256个是最好的结构， 为什么呢， 不然怎么那么多厂商都是在这个范围呢。 实际上， 他是由经济规律决定的， 就是当时用256个的宏单元结构的芯片的面积，和他们卖出的价钱，比较符合当时这些上市公司的利润要求， 所以。。。。。就以这个最流行了。 EDA365论坛网& h) Y: e' E+ }- ]8 O

 l但是Altera进行了很好的变通。 中国有句话叫“玄之又玄，妙之又妙”，什么是玄？ 玄就是变通的意思，也是变得意思。 实际上万事万物都是相通的。 那Altera就像我们的学校一样， 每个年级分不同楼层， 每个楼层分不同班级， 每个班级上不同的课。 但是用行列块的方式， 达到既有规模， 也有位置相关性。 而且路由的面积也不会大到赚不到钱。 实际上你自己观察， 近10年 ，Altera的FPGA的主要框架是没有变化的！EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛$ {9 D' M9 C$ ?4 H! G  `) T

Xilinx 的FPGA结构， 实际上， 有一个5200系列， 很向Altera的Flex6000，但是没有多久这个东西就不见了。 总之， Xilinx的结构属于称为 “孤岛式”结构， 就是CLB在中间， 路由围着这个孤岛。 在一定的密度的时候 ，这种结构也还是不错的， 当然有一个很重要的结构就是， 他是全对称的。 就是Xilinx的芯片的逻辑上资源的密集度是上小左右对称的。 这个有好处， 但是也有坏处。 Altera的呢，是横向资源丰富， 纵向资源相对较少， 但是， 在局部的横向上， 又可以进行级联LE, DSP,Carry chain 等等。 好了， 给大家举个简单的例子。www.eda365.com. o5 D. j+ R/ {2 E, x. j4 z2 I

; O/ a4 i, K, ^3 q& c孤岛式的结构www.eda365.com$ {! F* f$ ]/ [5 T% i' B

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Altera 的类似的结构， 但是颗粒度大， 从这张图， 应该可以看出altera在横向资源是很丰富的。 就是同一行的资源远多于同一列的。 输入输出就更是了。 当然， 这个和管脚的封装脚的出位不是绝对一一对应的。
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Stratix的出现在2001年， Altera推出了他们最伟大的产品， Stratix。 当时FPGA的竞争规则又发生了改变EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛1 ~7 Y5 s6 Q$ _4 {
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1---Altera用TRAM的形式和Xilinx的分布式RAM和blockRAM竞争EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛1 E8 @/ ]* W2 W' k
2---Altera的PLL性能超越对手EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛7 i5 t( Q/ V( \' D/ T! C0 V) [
3---布通率， 利用率，表现突出。 www.eda365.com$ K* c8 o1 U  K  Y4 @' N$ k- _
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但是上面这三点， 都不是决定性的。 这个时候， 数据通信对背板走线和背板总线要求已经很高了。 实际上FPGA也摇身变为系统级芯片了。
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4 B8 R! v* w: P7 uEDA365论坛网你不仅要有大的逻辑规模， 合理的memory尺寸， 相对丰富的时钟资源， 还有就是要有高速的Serdes，缺少一项，你都会在系统级的应用中只能是亚军！
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刚才说了系统级的应用，已经成了FPGA最残酷的竞争市场。 那么PLD呢， 怎么样了， 实际上自然总是物竞天择！PLD已经变为这样的几种应用了EDA365论坛网; a- S, ]; [! R' a
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1--输入输出的扩展！EDA365论坛网9 }# v! L! M% t3 u
2--简单总线或者接口的协议转换
3--对系统级的模块进行配置，或者控制。 www.eda365.com2 p. O4 X- ?! Y! T- z8 t8 d/ T
4--上电初期的一些管理: k+ }% y  I5 V4 j# X- ]

就像一个国家的海军一样， PLD已经成为一些简单的驱逐舰， 驰骋大洋的， 可以跨海作战的，绝对不是这样的产品可以涵盖的。 所以， 你今天喝可乐的时候， 不会有太多的选择。 偶尔的一些牌子如同过眼烟云， 很快就弹出你的视线了。
是的， 十年前我的很多朋友， 有在Quicklogic，有在Cypress，现在还有一些在不断出产品的公司， 当然， 只能是剑走偏锋。 做些细分市场还是可以继续的。但是三国鼎立的形式已经是不可撼动的事实了。

北京和深圳的差别？你到过我们的首都北京吗？到过我们的特区深圳吗？这样打比喻是因为我在深圳和北京都旅游或者工作过。实际上我也只是想借用这两个城市的布局来做个比喻。EDA365论坛" V5 t  V0 n2 @5 U+ C( {. s
北京是比较对称的城市， 有东直门， 西直门。 有东单， 西单等等。 总之， 他的布局就像Xilinx，无数个胡同就是像Xilinx围绕在CLB的路由线。 这些资源在Xilinx的数据手册中有：EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛* i: o1 I; M% W+ o# N9 n* \9 X
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但是这些胡同间的联线并不是十分充足。 特别是到了规模很大的时候。Altera的呢？在深圳的人， 如果你不认路， 很简单， 只要你走到“深南大道，滨河大道，北环大道“上的任意一条， 你就可以再从这些大道到你要去的地方。 但是前提是 ，这3条大道的宽度要够。 提示一点，这三条大道也是东西走向比较平行的。 而且整个深圳也是一个东西走向的城市， 地下再有一条地铁，在同样资源的情况下， 布通率， 和平均车速是非常好的。 而北京的地铁，是环形的。资源上不如深圳的利用率高， 这里无意于评价城市规划和道路设计。 只是比喻。
Altera的FPGA就是如同深圳的道路， 他可以让你从列上很自如的转到宽阔的行上， 然后再到达你的目的地。 所以，可以告诉你一个经验。 EDA365论坛网: ]+ m1 I4 e# t$ P, l4 V2 `0 `3 s

.1---Altera FPGA， 布通率基本在95%左右， 没有太大问题， Stratix最大的产品，有人有99%的布通率EDA365论坛/ G, A/ P0 V1 l. B% x' I- `' D* n8 ~; y
2---Lattice的FPGA，规模超过20KLEs，布通效率。。。。有愿意透漏的吗？
3---Xilinx，规模越大，有所恶化。
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另外， 这个地方也有颗粒度大带来的好处。 所以， 有些原来看似不精细的地方， 却在规则改变后， 就变得反而是犀利无比。
, 运筹学也是很重要的！经常有这样的情况， 大家选择FPGA的时候， 就开始翻看每种FPGA的选型手册， 然后对资源表。 有的甚至直接说：我这个是10万门的。 你的那个是6万门的， 实际上，这些都不是很正确的评估。 如同有人说， 我家的房子4室两厅， 你家的房子3室1厅双卫生间。 到底哪个更大呢？ 到底哪个更节能呢。 厨房热水器之间离得很远又是问题。EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛6 }' g2 c. n2 j

所以说， 学会正确的评价资源是很重要的。 这个时候还要参照他的结构！！板式的， 还是砖混的！！！EDA365论坛( ^: Z6 \2 U/ r8 F
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可能你还听说过一个使用面积的问题。 实际上， 有的房子看起来大，走道，不规则的布局，导致很多的地方都不能用！下面看个例子：EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛1 [& A/ f: U4 Y5 W& K  N
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左边的Hops代表跨一步的意思， 就是路由转换一次的意思。 这个表什么意思呢。 就是说在S3的路由过程中， 每个路由在第一次，就可以覆盖850LEs中的一个，V5是132. 如果你的逻辑，经过4跨，同样的路径覆盖的区域A的是X的2倍。 代表什么呢
1---编译速度更快， 因为概率提高， 路由成功率提高EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛6 G6 V7 G* s0 {* I" K
2---布通率更高EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛; u1 V9 D2 H& y) g7 p
3---速度更快！为什么， 90nm以后， LE内部延迟已经不如路由延迟的时间长了。 所以经过的路由多，就会严重降低系统速度。 EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛" J! s  d) H9 ?: ?
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当然还有一些好事者， 例如 (http://www.opencores.org) 有很多公开的opencore，大家可以将它们同时尝试放在A，X，L，看谁放的多， 放的快， 系统延迟更小。 这方便数据就不多说了， 可能都成为一门学科都不一定， 因为不同的比对都有benchmark的不同标准。 最终我们应该很清楚的看到。
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结构真的是很重要，我们能干， 也要看是否站在巨人。。。EDA365论坛网  v, b6 Q8 N6 ~) |' D) N

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不过呢， 很多时候， 我们的朋友基本上都说： 结构和我无关， 我要学好VHDL， 我要。。。。codingstyle。 这个设计属于系统工程！EDA365论坛! X- J% G) p- e3 i+ z$ A( V) D4 A& c
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FPGA的真正命门和Know How实际上，能做FPGA的公司太多了， 但是能将我们的设计通过算法成功放到这个芯片上，而且算出正确的时间和你的仿真要求的。 就不多了， 说的难听点。 有些领域甚至是没有亚军的竞争!选择小规模PLD， 那些， 不是太重要的问题。 本身就不够养活一票人的产品.EDA365论坛网( q' ?$ O/ @- d8 U4 `  X
苹果对苹果？目前，很多人都基本上对于新的中档设计都会集中在这连个系列的竞争中， 换言之， 在中国目前以成本为导向的第一要求下， 实际上中小公司的产品选用80%是集中在这里。然后就有人说，我的这个苹果是否和你的苹果互相换一下呢。 这里我们就又有话题了。 EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛- Y  x9 y  C0 W. v  D  v
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系统门 ，可用门，等效门？实际门EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛7 `) f& K7 Q1 a0 W% V) ~5 N

这些名词我相信你一定听过很多次， 但是能说清楚的恐怕没有几个，实际上，这些或多或少都有误导和讹传的嫌疑。 甚至也有公司会在型号上标称自己的门数， 最后给设计者的选择就是， 为什么门数一样的产品， 怎么价格差很多。 EDA365论坛网# {' ?9 N# a0 L$ G
说到这里， 我估计做FPGA的公司现在自己也不能说清楚这些名词到底想透露什么信息给客人， 实际上， 就是想说， 我的门比你的多， 因此， 大家在比较的时候， 一定要搞清楚你脑袋里面的门和他们说的门是一样的吗？EDA365论坛: G8 _6 f8 K! T& a* W

正确的方式：
1--我需要大概多少逻辑资源， 也就是LUT和Reg的数目， EDA365论坛网) s6 Q' c+ d& n/ P  q' B7 U
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2--我需要多少memory，以及块* L  F. W5 T! O# D8 p1 ~: \- q
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3--我需要多少个DSP单元来完成， 同时也要看DSP单元和memory的比例， 一般要有1：1.5以上块的比例， 有人问为什么， 例如两个操作数的队列， 进行乘法累加， 就是需要两个memory和一个DSP，但是也有一些需要固定的操作数和可变的操作数队列，这样就不需要1：2的了， 实际上， 现在有些RAM块还可以分割为两个来使用呢。
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4--还有我需要多少个LVDS以及serdes等EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛0 [0 k' K) \7 l- d3 A# U
5--功耗。。。。
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因此没有这样的对比， 你就只好听人家用各种各样的门来忽悠你吧。

FPGA三国志--第二篇/共四篇 结构篇 不可不看的故事 原创！长篇连载！第3楼有举例Altera FPGA的速度没有Xilinx的速度快，错！当然这种非对称的结构，你必须有一定的了解，才可以更好的利用。也就是要遵循：EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛/ B6 k: r. X# Y% L! ]- n EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛% ?! M2 T7 }* ? 大的数据吞吐通道应该采用横向放置规划！EDA365论坛网7 t0 n5 V' t4 Q/ s8 n 控制通路采用纵向放置规划！EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛; `* c9 q+ `: k0 b, G Altera至此以后， 一直沿袭这种结构规划。因此，如果你想有效利用好Altera的产品，就应该遵守这个规则。但是要说明的， 真正能体现性能的东西， 也许就是你意识不到的一种小东西， 就是简单的就是最好的。Altera正是凭借这个简单而高效的布局结构实现了今天的王道！昨天说到这里今天继续开始。 又有很多时候没有提Lattice，在1998年的时候， Lattice和Altera同时都有成为PLD霸主地位的意图。什么可以证明呢， 那就是谁最先推出可以ISP的宏单元超过1000个的PLD。 当然在这个游戏过程中， Altera有一些变化，他有效的将他的Flex8000的布局结构和他的MAX7000进行结合。 从而实现了在PLD规模扩大的同时可以实现 1--规模的迅速扩大， 可以比肩Xilinx的FPGAEDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛0 w' _0 _4 R0 f 2--局部的快速布线，和ISP，使其在获得规模优势的同时， 保持布线延迟的稳定EDA365论坛# Z& {& z, a0 O 3--沿用过去MAX7000的适配结构和FPGA的路由， 实现两者有效的统一。 www.eda365.com" Y8 r$ [/ L; u# T% l) d' s# a EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛9 t  A/ K1 {9 p6 X  K! C+ A Altera在推出他的最大的9560，具有560个宏单元的PLD，登上了无可争议的PLD冠军奖台。 EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛9 A0 T+ ?; Y$ ?8 j# ]/ E  N max9000sg.JPG (48.04 KB) * j! K. \- R& k1 r1 A: L9 \& mwww.eda365.com2008-9-23 21:28EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛! o" _  h: A: S) ?  y/ `- N EDA365论坛1 B' {) K9 l# n# F* R4 y EDA365论坛网1 \  Z) g# m* U/ r( z  T0 x 1 b! K  s' v5 ~( b当然有的人要说， Lattice有推出1000个左右， 怎么不提呢。 正是因为这点， 导致Lattice步入歧途。 实际上，FPGA世界的游戏规则已经改变了。 ! y; J; X/ V# N: ~" _2 rEDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛 & G7 \/ s  Q: ]/ N2 U7 W! e# ^EDA365论坛MAX9000的成功得益于以下的细微结构。这个时候Altera又一次将自己的颗粒度进行了扩容。 有16个宏聚集在一起， 在实现更多位的加法， 控制， 超前进位，大的多选一的应用中， 可以将这些模块一次性放入一个LAB，同时在LAB内完成路由。 现在已经露出一种迹象。 大的规模要有， 但是速度的需求已经开始了。 所以在FPGA，CPLD的应用中，又有了新的裁判规则， 你不仅要够大， 还有够快 / ]$ r* T4 a$ }4 A, ^EDA365论坛 max9000LAB.JPG (38 KB)& d% D2 }7 P% f) B1 Z 2008-9-23 21:54 ( Y3 r3 o9 U, G9 v* k9 X% z% W% V , a% e  ^5 Y3 ^" h, e; dEDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛EDA365论坛/ _/ w0 w2 B' x! O . n* |/ C  z' G; f8 @( v6 _EDA365论坛网站|PCB论坛|PCB layout论坛|SI仿真技术论坛这个时候的异步设计还是非常的多， 而且板子上芯片间信号的互联也多起来了， 能够有效缩短Tsu已经成为一个重要的话题。 实际上，就是在IOC上要有DFF，来进行快速锁存， 同时也为所有进入CPLD的总线信号进行第一次整理。 怎么实现很多的异步设计， 看了下面，你就明白了。 第1点，就可以用所有信号的函数输出作为clk，第2点， 有效的将没有用完的资源很好借用给其他的宏， 来用对称的结构实现非对称的应用！用简单的结构，应变不断的变化。   max9000MC.JPG (42.83 KB)4 c* O2 j- m) Q+ m5 H: f3 D * i" n3 U2 a1 K5 |" B6 u  }5 z www.eda365.com4 W! R; O6 n9 M7 t) x, m 纵观当时其他的PLD，在结构上就落后很多了。 你想， 让你和姚明来争篮板球， 如果你没有人家的身材，赢他恐怕也是嘴上的功夫了