第7章可编程逻辑器件.ppt

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1、 第七章第七章可编程逻辑器件可编程逻辑器件 目前在数字系统设计中广泛使用的可编程逻辑器件目前在数字系统设计中广泛使用的可编程逻辑器件(Programmable Logic Device(Programmable Logic Device，简称，简称PLD)PLD)属于属于LSILSI中的半用户中的半用户定制电路。由于定制电路。由于PLDPLD具有结构灵活、性能优越、设计简单等特具有结构灵活、性能优越、设计简单等特点，因而在不同应用领域中受到广泛重视，是构成数字系统的点，因而在不同应用领域中受到广泛重视，是构成数字系统的理想器件。理想器件。数字系统中常用的大规模集成电路可分为三大类。数字系统中常

2、用的大规模集成电路可分为三大类。非定制电路非定制电路(Noncustom design IC)全定制电路全定制电路(Fullcustom design IC)半定制电路半定制电路(Semicustom design IC)本章知识要点本章知识要点 PLDPLD概述概述 低密度低密度PLDPLD 高密度高密度PLDPLD ISP ISP技术简介技术简介7.1 PLD7.1 PLD概述概述 PLDPLD是是7070年代开始发展起来的一种新型大年代开始发展起来的一种新型大规模集成电路。一片规模集成电路。一片PLDPLD所容纳的逻辑门可达数所容纳的逻辑门可达数百、百、数千甚至更多，其逻辑功能可由用户编

3、程数千甚至更多，其逻辑功能可由用户编程指定。指定。PLDPLD特别适宜于构造小批量生产的系统，或特别适宜于构造小批量生产的系统，或在系统开发研制过程中使用。在系统开发研制过程中使用。7.1.1 PLD7.1.1 PLD的发展的发展 7070年代初期年代初期:第一种第一种PLDPLD器件器件-可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)(PROM)问世。问世。PROMPROM由一个由一个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列组成，阵列组成，“与与”阵列是固定的，阵列是固定的，“或或”阵列是可编程的；阵列是可编程的；7070年代中期：年代中期：出现了可编程逻辑阵列出现了可编程逻辑阵列(PLA)(

4、PLA)，PLAPLA同样由一同样由一个个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列组成，但其阵列组成，但其“与与”阵列和阵列和“或或”阵列都是可编程的；阵列都是可编程的；7070年代末期：年代末期：出现了可编程阵列逻辑出现了可编程阵列逻辑(PAL)(PAL)。PALPAL器件的器件的“与与”阵列是可编程的，而阵列是可编程的，而“或或”阵列是固定的，它有多种输阵列是固定的，它有多种输出和反馈结构，因而给逻辑设计带来了很大的灵活性。但出和反馈结构，因而给逻辑设计带来了很大的灵活性。但PALPAL器件器件 一般采用熔丝工艺，一旦编程后便不能改写。一般采用熔丝工艺，一旦编程后便不能改写。8080年代中

5、期年代中期:通用阵列逻辑通用阵列逻辑(GAL)(GAL)器件问世。器件问世。GALGAL器件采用高速电可擦器件采用高速电可擦CMOSCMOS工艺，能反复擦除和改写。工艺，能反复擦除和改写。特别是在结构上采用了特别是在结构上采用了“输出逻辑宏单元输出逻辑宏单元”电路，使一种型号电路，使一种型号的的GALGAL器件可以对几十种器件可以对几十种PALPAL器件做到全兼容。给逻辑设计者带器件做到全兼容。给逻辑设计者带来了更大的灵活性。来了更大的灵活性。9090年代年代:产生了在系统编程产生了在系统编程(ISP)(ISP)器件。器件。ISPISP是指用户具有在自己设计的目标系统中或线路板上为是指用户具有

6、在自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复改写的能力。重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复改写的能力。ISPISP器件器件为用户提供了传统的为用户提供了传统的PLDPLD技术无法达到的灵活性，带来了极大技术无法达到的灵活性，带来了极大的时间效益和经济效益，使可编程逻辑技术发生了实质性飞跃。的时间效益和经济效益，使可编程逻辑技术发生了实质性飞跃。PLDPLD的发展和应用，简化了数字系统设计过程、降低了系的发展和应用，简化了数字系统设计过程、降低了系统的体积和成本、提高了系统的可靠性和保密性。从根本上改统的体积和成本、提高了系统的可靠性和保密性。从根本上改变了系统设计方法，

7、使各种逻辑功能的实现变得灵活、方便。变了系统设计方法，使各种逻辑功能的实现变得灵活、方便。7.1.2 PLD7.1.2 PLD的一般结构的一般结构 PLDPLD的基本组成为一个的基本组成为一个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列，每阵列，每个或门输出都是输入的个或门输出都是输入的“与与-或或”函数。函数。一般结构如下：一般结构如下：在基本组成部分的基础上，附加一些其他逻辑元件，如输在基本组成部分的基础上，附加一些其他逻辑元件，如输入缓冲器、输出寄存器、内部反馈、输出宏单元等，便可构成入缓冲器、输出寄存器、内部反馈、输出宏单元等，便可构成各种不同的各种不同的PLDPLD。87.1.3 PLD

8、7.1.3 PLD的电路表示法的电路表示法 对于对于PLDPLD器件，用逻辑电路的一般表示法很难描述其内部器件，用逻辑电路的一般表示法很难描述其内部电路。为此，对描述电路。为此，对描述PLDPLD基本结构的有关逻辑符号和规则作出基本结构的有关逻辑符号和规则作出了某些约定。了某些约定。一一.与门和或门与门和或门 下图给出了下图给出了3 3输入与门和输入与门和3 3输入或门的两种表示法。输入或门的两种表示法。9二二.输入缓冲器输入缓冲器 典型输入缓冲器的典型输入缓冲器的PLDPLD表示表示法如右图所示。它的两个输出法如右图所示。它的两个输出B B、C C是其输入是其输入A A的原和反。的原和反。三

9、三.连接方式连接方式 PLDPLD阵列交叉点上的三种连接方式如图阵列交叉点上的三种连接方式如图(a)(a)所示。实点所示。实点“”表示硬线连接，即固定连接；表示硬线连接，即固定连接；“”表示可编程连接；没有表示可编程连接；没有“”和和“”的表示两线不连接。如图的表示两线不连接。如图(b)(b)中的输出中的输出F=AF=AC C。四四.与门不执行任何功能时的连接表示与门不执行任何功能时的连接表示 例如图中，输出为例如图中，输出为D D的与门连接了所有的输入项，其的与门连接了所有的输入项，其输出方程为输出方程为0BBAAD 为了方便起见，用标有为了方便起见，用标有“”标记的与门输出来表示所标记的与

10、门输出来表示所有输入缓冲器输出全部连到某一有输入缓冲器输出全部连到某一“与与”项的情况，如图中项的情况，如图中输出输出E E。与上述相反，图中输出与上述相反，图中输出F F表示无任何输入项与其相连，表示无任何输入项与其相连，因此，该因此，该“与与”项总是处于项总是处于“浮动浮动”的逻辑的逻辑“1 1”。根据根据PLDPLD中阵列和输出结构的不同，常用的低密度中阵列和输出结构的不同，常用的低密度PLDPLD有有4 4种主要类型：种主要类型：可编程只读存储器可编程只读存储器PROMPROM 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLAPLA 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PALPAL 通用阵列逻辑通用阵列逻辑

11、GALGAL 下面对它们的逻辑结构及其在逻辑设计中的应用分别予以下面对它们的逻辑结构及其在逻辑设计中的应用分别予以介绍。介绍。7.2 7.2 低密度可编程逻辑器件低密度可编程逻辑器件7.2.1 7.2.1 可编程只读存储器可编程只读存储器PROMPROM 一一.半导体存储器的分类半导体存储器的分类 存储器存储器(Memory)(Memory)是数字计算机和其他数字系统中存放信息是数字计算机和其他数字系统中存放信息的重要部件。随着大规模集成电路的发展，半导体存储器因其的重要部件。随着大规模集成电路的发展，半导体存储器因其具有集成度高、速度快、功耗小、价格低等优点而被广泛应用具有集成度高、速度快、

12、功耗小、价格低等优点而被广泛应用于各种数字系统中。于各种数字系统中。半导体存储器按功能可分为两大类。半导体存储器按功能可分为两大类。随机存取存储器随机存取存储器RAM(Random Access Memory)RAM(Random Access Memory)只读存储器只读存储器ROM(Read Only Memory)ROM(Read Only Memory)1.1.随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM RAMRAM是一种既可读又可写的存储器，故又称为读写存储器。是一种既可读又可写的存储器，故又称为读写存储器。根据制造工艺的不同，根据制造工艺的不同，RAMRAM又可分为双极型和又可分为双

13、极型和MOSMOS型两种类型。型两种类型。RAMRAM的优点是读写方便，使用灵活；缺点是一旦断电，所的优点是读写方便，使用灵活；缺点是一旦断电，所存储的信息便会丢失，它属于易失性存储器。存储的信息便会丢失，它属于易失性存储器。双极型双极型RAMRAM：工作速度高，但成本高、功耗大、集成度低，工作速度高，但成本高、功耗大、集成度低，主要用作高速小容量存储器。主要用作高速小容量存储器。MOSMOS型型RAMRAM：功耗小、集成度高、成本低，但速度比双极型功耗小、集成度高、成本低，但速度比双极型 RAMRAM低低,适宜于构造大容量存储器。适宜于构造大容量存储器。MOSMOS型型RAMRAM又可进一步

14、分为静态又可进一步分为静态RAM(SRAM)RAM(SRAM)和动和动RAM(DRAM)RAM(DRAM)两种，相比之下两种，相比之下DRAMDRAM的集成度更高。的集成度更高。2.2.只读存储器只读存储器ROMROM 只读存储器只读存储器ROMROM是一种在正常工作时只能读出、不能写入的是一种在正常工作时只能读出、不能写入的存储器。通常用来存放那些固定不变的信息。只读存储器存入数存储器。通常用来存放那些固定不变的信息。只读存储器存入数据的过程通常称为编程。据的过程通常称为编程。只读存储器只读存储器ROMROM属于非易失性存储器，即使切断电源，属于非易失性存储器，即使切断电源，ROMROM中的

15、信息也不会丢失，因而在数字系统中获得广泛应用。中的信息也不会丢失，因而在数字系统中获得广泛应用。根据工艺和编程方法的不同，可分为两类。根据工艺和编程方法的不同，可分为两类。掩膜编程掩膜编程ROMROM（简称（简称MROMMROM）：）：存放的内容是由生产厂家在芯存放的内容是由生产厂家在芯片制造时利用掩膜技术写入的。优点是可靠性高，集成度高，片制造时利用掩膜技术写入的。优点是可靠性高，集成度高，批量生产时价格便宜；缺点是用户不能重写或改写，不灵活。批量生产时价格便宜；缺点是用户不能重写或改写，不灵活。用户可编程用户可编程ROMROM（简称（简称PROMPROM）：）：存放的内容是由用户根据需存放

16、的内容是由用户根据需要在编程设备上写入的。优点是使用灵活方便，适宜于用来实要在编程设备上写入的。优点是使用灵活方便，适宜于用来实现各种逻辑功能。现各种逻辑功能。二二.可编程可编程ROMROM的结构的结构PROMPROM的逻辑结构的逻辑结构 PROMPROM的结构框图如下图所示，它主要由地址译码器和存的结构框图如下图所示，它主要由地址译码器和存储体两大部分组成。储体两大部分组成。容量：容量：将一个将一个n n位地址输入和位地址输入和m m位数据输出的位数据输出的PROMPROM的的存储容量表示为存储容量表示为2 2n nm(m(位位)，意味着存储体中有，意味着存储体中有2 2n nm m个存个存储元，每个存储元的状态代表一位二进制代码。储元，每个存储元的状态代表一位二进制代码。存储体的结构示意图如下：存储体的结构示意图如下：从逻辑器件的角度理解，从逻辑器件的角度理解，PROMPROM是由一个固定连接的与门阵是由一个固定连接的与门阵列和一个可编程连接的或门阵列所构成的组合逻辑电路。例如，列和一个可编程连接的或门阵列所构成的组合逻辑电路。例如，一个一个8 83(83(8与门与门3 3或门或门