fpga系列 HDL 00 : 可编程逻辑器件原理

news2024/9/8 10:59:13

一次性可编程器件（融保险丝实现）

一次性可编程器件（One-Time Programmable Device，简称 OTP）是一种在制造后仅能编程一次的存储设备。OTP器件在编程后数据不可更改。这些器件在很多应用场景中具有独特的优势和用途。

示例

MMI 16R6
可编程元件（显示为保险丝，下图中的波浪线）将真实输入和补码输入连接到与门。这些与门（也称为乘积项，下图中的面包片）通过“或”（下图中最右侧的圆形三角形）运算在一起，形成乘积和逻辑阵列。

类型

PROM (Programmable Read-Only Memory)
- 熔丝型 PROM：通过熔断内部熔丝来编程。这种方法可以通过高电压来破坏选定熔丝，从而改变存储的数据。
- 反熔丝型 PROM：使用反熔丝技术，通过特定方法在特定位置创建导电路径。

特性

不可擦除：OTP器件一旦编程，数据即固定，无法通过任何手段擦除或重新编程。
高可靠性：由于数据不可更改，OTP器件在安全性和数据保持方面具有很高的可靠性，适用于需要永久保存数据的场合。
低成本：相比于可擦写的存储器，OTP器件在制造和材料成本上通常较低，适用于大批量生产和一次性应用。

多次擦写的可编程逻辑设备（EPROM）

示例

在这里插入图片描述

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|          UVEPROM Chip            |
|                                  |
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|  |       Silicon Die          |  |
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|  |   | 浮栅 MOSFET        |   |  |
|  |   |  Transistors       |   |  |
|  |   +--------------------+   |  |
|  |                            |  |
|  +----------------------------+  |
|                                  |
|  Transparent Quartz Window       |
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原理

编程：
使用专用编程器将数据写入UVEPROM。在编程过程中，高电压（通常为12.5V至21V）被施加到存储单元以改变浮栅电荷状态，从而存储数据。场效应晶体管的开关状态由晶体管控制栅极上的电压控制。当电压施加到栅极时，晶体管内会形成一条传导路径，从而打开开关。在浮置栅极上存储电荷与向栅极施加电压具有相同的效果，从而允许存储数据。
擦除（紫外线，UV，ultraviolet）：
UVEPROM芯片通常具有一个透明的石英窗，通过这个窗口，可以将芯片暴露在紫外光下。紫外光会提供足够的能量，使浮栅上的电荷逸出，从而将存储单元恢复到未编程状态（通常是逻辑高电平）。通常需要几分钟到二十分钟的紫外光照射才能完成擦除过程。

多次擦写的可编程逻辑设备（EEPROM）

示例

electrically erasable programmable read-only memory

原理

编程：编程时，通过施加高电压（通常在12V左右）在控制栅和源极之间，使电子通过隧道效应被注入到浮栅上，从而改变浮栅的电荷状态，这会影响晶体管的阈值电压，从而表示存储的数据位。
擦除：擦除时，通过施加反向高电压，使浮栅上的电荷逸出，恢复到未编程状态。

CPLD（Complex Programmable Logic Device）

示例

在这里插入图片描述

CPLD 的架构

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可编程逻辑块（PLB）

存储配置数据的EEPROM，用于设置逻辑块和互连的功能。

在这里插入图片描述

类PAL块（也称为功能块）通常由16个宏单元组成。每个宏单元由一个与或配置、一个异或门、一个触发器、一个多路复用器和一个三态缓冲器组成。

LUT

LUT（Lookup Table，查找表）是数字逻辑设计中常用的一种元件，用于实现逻辑功能。它是一种存储了输入输出关系的数据结构，在电路中充当逻辑函数的实现。LUT的工作原理类似于一张查找表，它接收一组输入信号，并根据这组输入信号查找对应的输出信号。在数字逻辑中，这组输入信号可以是逻辑门的输入，而查找表存储了每一种输入组合对应的输出。例如，对于一个二输入的AND门，有四种可能的输入组合：00、01、10、11。每种输入组合对应一个输出，因此可以用一个包含四个条目的查找表来实现AND门的功能。
在商业FPGA芯片中，LUT通常有4个或5个输入，分别需要16个和32个存储单元。

FPGA

PAL通常有额外的电路，包括与或门。FPGA也是如此，除了一个LUT之外，它通常在每个逻辑块中有额外的电路。图b显示了一个触发器是如何被包含在FPGA逻辑块中的，触发器被用来在其时钟输入的控制下存储其D输入的值。

在这里插入图片描述

通过FPGA实现 $x_1x_2+\bar{x_2}x_3$ ：

在这里插入图片描述

对比CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）和FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）：

特性	CPLD	FPGA
架构	由多个宏单元（Macrocell）组成，通过可编程互连网络连接	由多个可编程逻辑块（PLB）组成，通过复杂的互连矩阵连接
配置存储	EEPROM 或 Flash，断电后保留配置	目前，大多数FPGA芯片是基于 SRAM 的结构的，SRAM，断电后配置丢失，需要外部存储加载
配置时间	配置时间较短	配置时间较长
逻辑容量	适合中小规模逻辑设计，逻辑容量较低	适合大规模、高复杂度逻辑设计，逻辑容量高
功耗	通常较低，适合低功耗应用	相对较高，特别是在实现复杂设计时
时序特性	时序特性稳定确定	灵活，但时序特性可能受复杂互连影响
开发工具	简单，适合快速原型设计	复杂，提供高级特性和调试环境
编程接口	相对简单	复杂，支持高级功能和多种配置方式
典型应用	控制电路、简单状态机、I/O 扩展、接口转换	高性能计算、数字信号处理、实时数据处理、高速通信接口
资源	较少的逻辑单元和寄存器	丰富的逻辑单元、DSP 块、RAM 块
并行处理	限制较多	高度并行处理能力
灵活性	架构固定，灵活性较低	架构灵活，可重配置

CG

https://en.wikipedia.org/wiki/Programmable_Array_Logic
https://ja.wikipedia.org/wiki/EPROM
https://en.wikipedia.org/wiki/EEPROM
https://www.slideshare.net/anandhd1/programmable-logic-devices-236575565
https://electronicsforyou.in/cpld/
https://people.engr.tamu.edu/xizhang/ECEN248/slides_Chapter3_6.pdf
可编程只读存储器 PROM 最初是 1956 年作为与洲际弹道导弹相关的军事计划的一部分开发的。这项发明归功于当时在美国博世武器公司工作的 Wen Tsing Chow。商业设备于 1960 年代末问世。
1989 年，英特尔在其可训练的人工神经网络（ETANN）芯片中采用了 FGMOS 作为模拟非易失性存储器元件，[3] 展示了将 FGMOS 设备用于数字存储器以外的应用的潜力。

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