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1、第2讲可编程逻辑器件第1页，此课件共42页哦目的与要求目的与要求 理解PLD器件的基本结构、分类、优点；掌握PROM、PAL、PLA、GAL的结构；重点：重点：PLD器件的基本结构；PROM、PAL、PLA、GAL的结构特点；第2页，此课件共42页哦可编程逻辑器件的定义n逻辑器件：用来实现某种特定逻辑功能的电子器件，最简单的逻辑器件是与、或、非门，在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。n可编程逻辑器件（PLDProgrammable Logic Device）：是一种是一种数字集成电路的半成品数字集成电路的半成品，在其芯，在其芯片上片上按一定排列方式按一定排列方式集成了集成了大量的逻辑门大
2、量的逻辑门和和触发器触发器等基本逻辑元件。等基本逻辑元件。通过编程可以设置其逻辑功能。通过编程可以设置其逻辑功能。第3页，此课件共42页哦数字电路课程的回顾n数字电路设计的基本方法n组合电路设计问题逻辑关系真值表化简逻辑图n时序电路设计列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图第4页，此课件共42页哦数字电路课程的回顾n使用中、小规模器件设计电路（74、54系列）n编码器（74LS148）n译码器（74LS154）n比较器（74LS85）n计数器（74LS193）n移位寄存器（74LS194）n第5页，此课件共42页哦数字电路课程的回顾n设计方法的局限n卡诺图只适用于输入
3、比较少的函数的化简。n采用“搭积木”的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。n设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。第6页，此课件共42页哦数字电路课程的回顾n采用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，可靠性低提高芯片的集成度n设计比较困难能方便地发现设计错误n电路修改很麻烦提供方便的修改手段nPLD器件的出现改变了这一切第7页，此课件共42页哦PLD出现的背景n电路集成度不断提高nSSIMSILSIVLSIn计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用n设计方法的发展n自下而上自上而下n用户需要设计自己需要的专用电路n专用集成
4、电路（ASICApplication Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险大n可编程器件PLD：开发周期短，投入小，风险小第8页，此课件共42页哦PLD的发展历程的发展历程70年代年代80年代年代90年代年代PROM 和和PLA 器器件件PAL 器器件件GAL器器件件FPGA器器件件EPLD 器器件件CPLD器器件件内嵌复杂内嵌复杂功能模块功能模块的的SoPC第9页，此课件共42页哦PLD器件的优点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，提高可靠性n具有完善先进的开发工具n提供语言、图形等设计方法，十分灵活n通过仿
5、真工具来验证设计的正确性n可以反复地擦除、编程，方便设计的修改和升级n灵活地定义管脚功能，减轻设计工作量，缩短系统开发时间n保密性好第10页，此课件共42页哦n管脚数目：n208个n电源：n3.3V（I/O）n2.5V（内核）n速度n250MHzn内部资源n4992个逻辑单元n10万个逻辑门n49152 bit的RAM第11页，此课件共42页哦PLD的发展趋势n向高集成度、高速度方向进一步发展n最高集成度已达到400万门n向低电压和低功耗方向发展，5V3.3V2.5V1.8V更低n内嵌多种功能模块nRAM，ROM，FIFO，DSP，CPUn向数、模混合可编程方向发展第12页，此课件共42页哦可
6、编程逻辑器件的分类（可编程逻辑器件的分类（P5)n从互连特性上分类从互连特性上分类n从可编程特性上分类从可编程特性上分类n从结构的复杂程度上分类从结构的复杂程度上分类n从结构上分类从结构上分类第13页，此课件共42页哦l确定型：互连结构固定，每次编程都用相同的互确定型：互连结构固定，每次编程都用相同的互连线实现布线。连线实现布线。包括包括PROMPROM、GALGAL、EPLDEPLD和和E E2 2PLDPLD；l统计型：每次都执行相同的功能却可以给出不同统计型：每次都执行相同的功能却可以给出不同的布线结果。的布线结果。如：现场可编程门阵列（如：现场可编程门阵列（FPGAFPGA）。）。按互
7、连特性分类按互连特性分类第14页，此课件共42页哦按编程方法分类按编程方法分类n熔丝或反熔丝编程器件Actel的FPGA器件n体积小，集成度高，速度高，易加密，抗干扰，耐高温n只能一次编程，在设计初期阶段不灵活nSRAM大多数公司的FPGA器件n可反复编程，实现系统功能的动态重构nEEPROM大多数CPLD器件n可反复编程n不用每次上电重新下载，但相对速度慢，功耗较大第15页，此课件共42页哦按结构的复杂程度分类按结构的复杂程度分类第16页，此课件共42页哦按结构分类按结构分类 n一类是乘积项结构器件：基本结构是一类是乘积项结构器件：基本结构是“与与或或”阵列，包括大部分简单的阵列，包括大部分
8、简单的PLDPLD和和CPLDCPLD。n一类是查找表器件：由简单的查找表构成可一类是查找表器件：由简单的查找表构成可编程门，再构成阵列形式，包括编程门，再构成阵列形式，包括FPGAFPGA。第17页，此课件共42页哦PLD的主流厂商n最大的PLD供应商之一nFPGA的发明者，最大的PLD供应商之一nISP技术的发明者n提供军品及宇航级产品第18页，此课件共42页哦PLD主体主体输入输入电路电路输入信号输入信号互补互补输入输入输出函数输出函数反馈输入信号反馈输入信号 可由或阵列直接输出，可由或阵列直接输出，构成组合；构成组合；通过寄存器输出，通过寄存器输出，构成时序方式输出。构成时序方式输出。
9、可直接可直接输出输出也可反馈到输入也可反馈到输入 输出既可以是低电平有输出既可以是低电平有效，又可以是高电平有效。效，又可以是高电平有效。输出输出电路电路第19页，此课件共42页哦电路符号表示电路符号表示常用逻辑门符号与现有国标符号的对照常用逻辑门符号与现有国标符号的对照第20页，此课件共42页哦电路符号表示电路符号表示图图3-4PLD的互补缓冲器的互补缓冲器 图图3-5 PLD的互补输入的互补输入 图图3-6 PLD中与阵列表示中与阵列表示图图3-7 PLD中或阵列的表示中或阵列的表示 图图3-8 阵列线连接表示阵列线连接表示 第21页，此课件共42页哦 PROM的结构是的结构是与阵列固定与
10、阵列固定、或阵列可编程或阵列可编程的的PLD器件。对于器件。对于有大量输入信号的有大量输入信号的PROM，比较，比较适合作为存储器适合作为存储器来存放数据，它在来存放数据，它在计算机系统和数据自动控制等方面起着重要的作用。计算机系统和数据自动控制等方面起着重要的作用。对于较少的输入信号组成的与阵列固定、或阵列可编程的对于较少的输入信号组成的与阵列固定、或阵列可编程的器件中，也可以很方便地器件中，也可以很方便地实现任意组合逻辑函数实现任意组合逻辑函数。PROM第22页，此课件共42页哦PROM结构第23页，此课件共42页哦用用PROM实现组合逻辑电路功能实现组合逻辑电路功能实现的函数为：实现的函
11、数为：固定连接点固定连接点（与）（与）编程连接点编程连接点（或）（或）第24页，此课件共42页哦例例1 用用PROM实现输出函数实现输出函数解：解：或阵列或阵列第25页，此课件共42页哦Ex:用PROM实现以下逻辑函数：第26页，此课件共42页哦可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLAPLA与与PROM相比，相比，PLA有如下特点：有如下特点：（一）（一）PROM是与阵列固定、或阵列可编程，而是与阵列固定、或阵列可编程，而PLA是与和或阵列全可编程；是与和或阵列全可编程；（二）（二）PROM与阵列是全译码的形式，而与阵列是全译码的形式，而PLA是根据是根据需要产生乘积项，从而减小了阵列的规模；需要产
12、生乘积项，从而减小了阵列的规模；（三）（三）PROM实现的逻辑函数采用最小项表达式来描述。实现的逻辑函数采用最小项表达式来描述。而用而用PLA实现逻辑函数时，运用简化后的最简与或式；实现逻辑函数时，运用简化后的最简与或式；（四）在（四）在PLA中，对多输入、多输出的逻辑函数可以利中，对多输入、多输出的逻辑函数可以利用公共的与项，因而提高了阵列的利用率。用公共的与项，因而提高了阵列的利用率。第27页，此课件共42页哦PLA结构第28页，此课件共42页哦例例2 用用PLA实现输出函数实现输出函数解：先把函数化为最简形式：解：先把函数化为最简形式：乘积项共有三个乘积项共有三个与与阵阵列列或阵列或阵列
13、第29页，此课件共42页哦Ex:用用PLA实现逻辑函数实现逻辑函数第30页，此课件共42页哦PAL结构n与阵列可编程使输入项增多，或阵列固定使器件简化。n或阵列固定明显影响了器件编程的灵活性第31页，此课件共42页哦PAL结构实例：结构实例：常用表示方法：常用表示方法：第32页，此课件共42页哦AnBnCnAnBnCnAnBnCnAnBnCnAnBnAnCnBnCn用PAL实现全加器第33页，此课件共42页哦PAL类型 n基本阵列结构n可编程的输入、输出结构（异步I/O输出结构）n寄存器输出结构 适合于实现计数器、移位寄存器等时序逻辑电路适合于实现计数器、移位寄存器等时序逻辑电路n“异或”输出
14、结构n异步寄存器输出结构第34页，此课件共42页哦PAL的优缺点优点：优点：提高了功能密度，节省了空间，提高了速度；使用方便，提高了设计的灵活性；通过对加密位进行编程，实现加密功能，可防止非法复制；时序型PAL器件在接通电源时可自动将各触发器置O，保证电路从起始状态开始使用，即具有上电复位功能。缺点：缺点：但PAL器件的集成密度低，仍有一定的局限性，主要体现在采用熔丝工艺，只能一次性编程，不能改写，使用者有一定的风险；输出结构固定，不能重新组态，编程灵活性较差。第35页，此课件共42页哦GAL结构nGAL器件与PAL器件的区别在于用可编程的输出逻辑宏单元（OLMC）代替固定的或阵列。可以实现时
15、序电路。逻辑宏单元OLMC第36页，此课件共42页哦GAL器件的OLMCOutput Logic Macro Celln每个OLMC包含或阵列中的一个或门n组成：n异或门：控制输出信号的极性nD触发器：适合设计时序电路n4个多路选择器输出使能选择反馈信号选择或门控制选择输出选择第37页，此课件共42页哦GAL的优点（1）具有上电复位和可加密功能，被认为是最理想的PLD；（2）器件适用性好，即有较高的灵活性，它具有的每个宏单元均可根据需要任意组态，使用十分灵活；（3）完全可编程，GAL器件通常采用EECMOS工艺制成，可反复编程，可擦写百次以上，甚至千次，设计者没有风险；（4）完全可测试，GAL
16、器件的宏单元接成时序状态，测试软件可对状态方便地预置，因而可缩短测试过程。第38页，此课件共42页哦各种各种PLDPLD的结构特点的结构特点第39页，此课件共42页哦PLD的性能特点的性能特点采用采用PLD设计数字系统和中小规模相比具有如下特点：设计数字系统和中小规模相比具有如下特点：1.减小系统体积：单片减小系统体积：单片PLD有很高的密度，可容纳中小规模集有很高的密度，可容纳中小规模集成电路的几片到十几片；成电路的几片到十几片；2.增强逻辑设计的灵活性：使用增强逻辑设计的灵活性：使用PLD器件设计的系统，可以器件设计的系统，可以不受标准系列器件在逻辑功能上的限制；不受标准系列器件在逻辑功能
17、上的限制；3.缩短设计周期：由于可编程特性，用缩短设计周期：由于可编程特性，用PLD设计一个系统所设计一个系统所需时间比传统方式大为缩短；需时间比传统方式大为缩短；4.提提高高系系统统处处理理速速度度：用用PLD与与或或两两级级结结构构实实现现任任何何逻逻辑辑功功能能，比比用用中中小小规规模模器器件件所所需需的的逻逻辑辑级级数数少少。这这不不仅仅简简化化了了系系统统设设计计，而而且且减减少少了了级间延迟，提高了系统的处理速度；级间延迟，提高了系统的处理速度；第40页，此课件共42页哦 7.系系统统具具有有加加密密功功能能：某某些些PLD器器件件，如如GAL或或高高密密度度可可编编程程逻逻辑辑器
18、器件件本本身身具具有有加加密密功功能能。设设计计者者在在设设计计时时选选中中加加密密项项，可可编编程程逻逻辑辑器器件件就就被被加加密。器件的逻辑功能无法被读出，有效地防止电路被抄袭。密。器件的逻辑功能无法被读出，有效地防止电路被抄袭。5.降低系统成本：由于降低系统成本：由于PLD集成度高，测试与装配的工作量大大减集成度高，测试与装配的工作量大大减少，避免了改变逻辑带来的重新设计和修改，有效地降低了成本；少，避免了改变逻辑带来的重新设计和修改，有效地降低了成本；6.提高系统的可靠性：用提高系统的可靠性：用PLD器件设计的系统减少了芯片数量和器件设计的系统减少了芯片数量和印制板面积，减少相互间的连
19、线，增加了平均寿命印制板面积，减少相互间的连线，增加了平均寿命,提高抗干扰能力，从提高抗干扰能力，从而增加了系统的可靠性；而增加了系统的可靠性；PLD的性能特点的性能特点第41页，此课件共42页哦 SPLD的阵列容量较小，不适合于实现规模较大的设计的阵列容量较小，不适合于实现规模较大的设计对象。对象。SPLD片内触发器资源不足。不能适用于规模较大片内触发器资源不足。不能适用于规模较大的时序电路。的时序电路。SPLD输入、输出控制不够完善，限制了芯片硬件资输入、输出控制不够完善，限制了芯片硬件资源的利用率和它与外部电路连接的灵活性。源的利用率和它与外部电路连接的灵活性。SPLD编程下载必须将芯片插入专用设备，使得编程编程下载必须将芯片插入专用设备，使得编程不够方便，设计人员企盼提供一种更加直接、不必不够方便，设计人员企盼提供一种更加直接、不必拔插待编程芯片就可下载的编程技术。拔插待编程芯片就可下载的编程技术。SPLD存在的问题第42页，此课件共42页哦