CPLD (Complex Programmable Logic Device)直譯的話稱為復(fù)雜可編程邏輯芯片，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。適合控制密集型數(shù)字型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其時(shí)延控制方便。CPLD是目前集成電路中發(fā)展最快的器件之一。

1.特點(diǎn)

CPLD具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場(chǎng)合均可應(yīng)用CPLD器件。CPLD器件已成為電子產(chǎn)品不可缺少的組成部分，它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為電子工程師必備的一種技能。

CPLD

2.組成

復(fù)雜的可編程邏輯器件CPLD規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。

CPLD有五個(gè)主要部分：邏輯陣列塊、宏單元、擴(kuò)展乘積項(xiàng)、可編程連線陣列和I/O控制塊。

2.1邏輯陣列塊(LAB)

一個(gè)邏輯陣列塊由16個(gè)宏單元的陣列組成，多個(gè)LAB通過可編程陣列(PIA)和全局總線連接在一起。全局總線從所有的專用輸入、I/O引腳和宏單元饋入信號(hào)。對(duì)于每個(gè)LAB有下列輸入信號(hào)。

來(lái)自作為通用邏輯輸入的PIA的36個(gè)信號(hào)

全局控制信號(hào)，用于寄存器輔助功能

從I/O引腳到寄存器的直接輸入通道

2.2宏單元

MAX7000系列中的宏單元由3個(gè)功能塊組成：邏輯陣列、乘積項(xiàng)選擇矩陣和可編程寄存器。各部分可以被獨(dú)自配置為時(shí)序邏輯和組合邏輯工作方式。其中邏輯陣列實(shí)現(xiàn)組合邏輯，可以為每個(gè)宏單元提供5個(gè)乘積項(xiàng)。乘積項(xiàng)選擇矩陣分配這些乘積項(xiàng)作為到“或門”和“異或門”的主要邏輯輸入，以實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)，或者把這些乘積項(xiàng)作為宏單元中寄存器的輔助輸入：如清零、置位、時(shí)鐘和時(shí)鐘使能控制。

每個(gè)宏單元中的觸發(fā)器可以單獨(dú)地編程為具有可編程時(shí)鐘控制的D、T、JK或RS觸發(fā)器的工作方式。觸發(fā)器的時(shí)鐘、清零輸入可以通過編程選擇使用專用的全局清零和全局時(shí)鐘，或使用內(nèi)部邏輯(乘積項(xiàng)邏輯陣列)產(chǎn)生的時(shí)鐘和清零。觸發(fā)器也支持異步清零和異步置位功能，乘積項(xiàng)選擇矩陣分配乘積項(xiàng)來(lái)控制這些操作。如果不需要觸發(fā)器，也可以將此觸發(fā)器旁路，信號(hào)直接輸給PIA或輸出到I/O引腳，以實(shí)現(xiàn)組合邏輯工作方式。

2.3擴(kuò)展乘積項(xiàng)

每個(gè)宏單元的一個(gè)乘積項(xiàng)可以反相回送到邏輯陣列。這個(gè)“可共享”的乘積項(xiàng)能夠連到同一個(gè)LAB中的任何其它乘積項(xiàng)上。盡管大多數(shù)邏輯函數(shù)能夠用每個(gè)宏單元中的5個(gè)乘積項(xiàng)實(shí)現(xiàn)，但在某些復(fù)雜的邏輯函數(shù)中需要附加乘積項(xiàng)。為提供所需的邏輯資源，可以利用另一個(gè)宏單元，MAX70000結(jié)構(gòu)也允許利用共享和并聯(lián)擴(kuò)展乘積項(xiàng)，這兩種擴(kuò)展項(xiàng)可作為附加的乘積項(xiàng)直接送到本LAB的任意宏單元中。利用擴(kuò)展項(xiàng)可保證在實(shí)現(xiàn)邏輯綜合時(shí)，用盡可能少的邏輯資源實(shí)現(xiàn)盡可能快的工作速度。

2.4可編程連線陣列PIA

通過可編程連線陣列可將各LAB相互連接構(gòu)成所需的邏輯。這個(gè)全局總線是可編程的通道，它能把器件中任何信號(hào)源連到其目的地。所有MAX7000系列器件的專用輸入、I/O引腳和宏單元輸出均饋送到PIA，PIA可把這些信號(hào)送到整個(gè)器件內(nèi)的各個(gè)地方。只有每個(gè)LAB所需的信號(hào)才真正給它布置從PIA到該LAB的連線，如圖是PIA信號(hào)布線到LAB的方式。

PIA信號(hào)布線到LAB的方式

2.5I/O控制塊

I/O控制塊允許每個(gè)I/O引腳單獨(dú)地配置成輸入/輸出和雙向工作方式。所有I/O引腳都有一個(gè)三態(tài)緩沖器，它能由全局輸出使能信號(hào)中的一個(gè)控制，或者把使能端直接連接到地(GND)或電源(VCC)上。MAX7000系列器件的I/O控制框圖如圖所示。MAX7000器件有6個(gè)全局輸出使能信號(hào)，它們可以由以下信號(hào)驅(qū)動(dòng)：兩個(gè)輸出使能信號(hào)、一個(gè)I/O引腳的集合、一個(gè)I/O宏單元的集合，或者是它“反相”后的信號(hào)。

I O控制框圖

當(dāng)三態(tài)緩沖器的控制端接地(GND)時(shí)，其輸出為高阻態(tài)，而且I/O引腳可作為專用輸入引腳。當(dāng)三態(tài)緩沖器的控制端接電源(VCC)時(shí)，輸出使能有效。

MAX7000結(jié)構(gòu)提供了雙I/O反饋，且宏單元和引腳的反饋是相互獨(dú)立的。當(dāng)I/O引腳配置成輸入時(shí)，有關(guān)的宏單元可以用于隱含邏輯。

3.優(yōu)勢(shì)

(1)用CPLD來(lái)開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。

(2)CPLD還可以做數(shù)字IC設(shè)計(jì)的前端驗(yàn)證，用這種方式可以很大程度上降低IC設(shè)計(jì)的成本。

(3)CPLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡(jiǎn)單的74電路，都可以用FPGA/CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(4)CPLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語(yǔ)言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在PCB完成以后，還可以利用CPLD的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。

4.使用方法

CPLD是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。這里以搶答器為例講一下它的設(shè)計(jì)(裝修)過程，即芯片的設(shè)計(jì)流程。

CPLD的工作大部分是在電腦上完成的。打開集成開發(fā)軟件(Altera公司 Max+pluxII)→畫原理圖、寫硬件描述語(yǔ)言(VHDL，Verilog)→編譯→給出邏輯電路的輸入激勵(lì)信號(hào)，進(jìn)行仿真，查看邏輯輸出結(jié)果是否正確→進(jìn)行管腳輸入、輸出鎖定(7128的64個(gè)輸入、輸出管腳可根據(jù)需要設(shè)定)→生成代碼→通過下載電纜將代碼傳送并存儲(chǔ)在CPLD芯片中。7128這塊芯片各管腳已引出，將數(shù)碼管、搶答開關(guān)、指示燈、蜂鳴器通過導(dǎo)線分別接到芯片板上，通電測(cè)試，當(dāng)搶答開關(guān)按下，對(duì)應(yīng)位的指示燈應(yīng)當(dāng)亮，答對(duì)以后，裁判給加分后，看此時(shí)數(shù)碼顯示加分結(jié)果是否正確，如發(fā)現(xiàn)有問題，可重新修改原理圖或硬件描述語(yǔ)言，完善設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)好后，如批量生產(chǎn)，可直接復(fù)制其他CPLD芯片，即寫入代碼即可。如果要對(duì)芯片進(jìn)行其它設(shè)計(jì)，比如進(jìn)行交通燈設(shè)計(jì)，要重新畫原理圖、或?qū)懹布枋稣Z(yǔ)言，重復(fù)以上工作過程，完成設(shè)計(jì)。這種修改設(shè)計(jì)相當(dāng)于將房屋進(jìn)行了重新裝修，這種裝修對(duì)CPLD來(lái)說(shuō)可進(jìn)行上萬(wàn)次。
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