數(shù)字電子技術(shù)（第3版）課件 第35講 8.2 可編程邏輯器件(PLD)

第8章存儲(chǔ)器和可編程邏輯器件簡(jiǎn)介8.2.3

復(fù)雜的可編程邏輯器件（CPLD）8.2.2

普通可編程邏輯器件8.2可編程邏輯器件(PLD)簡(jiǎn)介8.2.4

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）

8.2.1

概述返回結(jié)束放映2/11/20251復(fù)習(xí)只讀存儲(chǔ)器的分類(lèi)？各自特點(diǎn)？2/11/202528.2.1概述8.2可編程邏輯器件(PLD)簡(jiǎn)介返回1.PLD在數(shù)字集成芯片中的位置

數(shù)字SSI、MSI集成LSI、VLSI電路ASIC全定制ASIC門(mén)陣列半定制ASIC標(biāo)準(zhǔn)單元

PLD2/11/20253（1）數(shù)字集成電路按照芯片設(shè)計(jì)方法的不同分類(lèi)：

①通用型SSI、MSI集成電路；

②LSI、VLSI集成電路，如微處理器、單片機(jī)等；

③專(zhuān)用集成電路ASIC（LSI或VLSI）。2/11/20254（2）ASIC分類(lèi)全定制ASIC：硅片沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)加工，其各層掩模都是按特定電路功能專(zhuān)門(mén)制造的。半定制ASIC：按一定規(guī)格預(yù)先加工好的半成品芯片，然后再按具體要求進(jìn)行加工和制造，包括門(mén)陣列、標(biāo)準(zhǔn)單元和可編程邏輯器件(PLD)三種。2/11/202552.可編程邏輯器件(PLD)（1）定義：PLD是廠家作為一種通用型器件生產(chǎn)的半定制電路，用戶(hù)可以利用軟、硬件開(kāi)發(fā)工具對(duì)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，使之實(shí)現(xiàn)所需要的邏輯功能。（2）PLD的基本結(jié)構(gòu)框圖其中輸入緩沖電路可產(chǎn)生輸入變量的原變量和反變量，并提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力。

2/11/20256（3）按集成度分類(lèi)：

①低密度PLD(LDPLD)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、速度高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，但其規(guī)模較小(通常每片只有數(shù)百門(mén))，難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯。

按編程部位分類(lèi)LDPLD分類(lèi)與陣列或陣列輸出電路可編程類(lèi)型可編程只讀存儲(chǔ)器PROM固定可編程固定半場(chǎng)可編程現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列FPLA可編程可編程固定全場(chǎng)可編程可編程陣列邏輯PAL可編程固定固定半場(chǎng)可編程通用陣列邏輯GAL可編程固定邏輯宏單元（OLMC）半場(chǎng)可編程2/11/20257

②高密度PLD(HDPLD)：分類(lèi)結(jié)構(gòu)形式類(lèi)型可擦除可編程邏輯器件(EPLD)與或陣列陣列型復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)與或陣列陣列型現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)門(mén)陣列單元型（4）PLD器件的優(yōu)點(diǎn)縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)高可靠性和可加密性降低了產(chǎn)品生產(chǎn)的總費(fèi)2/11/20258（5）常采用可編程元件(存儲(chǔ)單元)的類(lèi)型：

①一次性編程的熔絲或反熔絲元件；

②紫外線(xiàn)擦除、電可編程的EPROM(UVEPROM)存儲(chǔ)單元，即UVCMOS工藝結(jié)構(gòu)；

③電擦除、電可編程存儲(chǔ)單元，一類(lèi)是E2PROM即E2CMOS工藝結(jié)構(gòu)，另一類(lèi)是快閃(Flash)存儲(chǔ)單元；

④基于靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)的編程元件。其中，③類(lèi)和④類(lèi)目前使用最廣泛。

2/11/20259圖8-15幾種常用邏輯符號(hào)表示方法（a）輸入緩沖器（b）

與門(mén)

（c）

或門(mén)（d）

三種連接（6）幾種常見(jiàn)的邏輯符號(hào)表示方法2/11/2025108.2.2普通可編程邏輯器件1.可編程陣列邏輯（PAL）（1）PAL的結(jié)構(gòu)

與陣列—可編程；或陣列—固定輸出電路—固定

圖8-16PAL的結(jié)構(gòu)返回2/11/202511（2）PAL的輸出結(jié)構(gòu)

①專(zhuān)用輸出結(jié)構(gòu)。輸出端只能輸出信號(hào)，不能兼作輸入。只能實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。目前常用的產(chǎn)品有PAL10H8、PAL10L8等。

2/11/202512

②可編程I/O結(jié)構(gòu)。輸出端有一個(gè)三態(tài)緩沖器，三態(tài)門(mén)受一個(gè)乘積項(xiàng)的控制。當(dāng)三態(tài)門(mén)禁止，輸出呈高阻狀態(tài)時(shí)，I/O引腳作輸入用；當(dāng)三態(tài)門(mén)被選通時(shí)，I/O引腳作輸出用。2/11/202513

③寄存器輸出結(jié)構(gòu)。輸出端有一個(gè)D觸發(fā)器，在使能端的作用下，觸發(fā)器的輸出信號(hào)經(jīng)三態(tài)門(mén)緩沖輸出。能記憶原來(lái)的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能。2/11/202514

④異或—寄存器型輸出結(jié)構(gòu)。輸出部分有兩個(gè)或門(mén)，它們的輸出經(jīng)異或門(mén)后再經(jīng)D觸發(fā)器和三態(tài)緩沖器輸出，這種結(jié)構(gòu)便于對(duì)與或邏輯陣列輸出的函數(shù)求反，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器狀態(tài)進(jìn)行維持操作，適用于實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器及狀態(tài)。（A⊕0=A，A⊕1=A

）2/11/202515（3）PAL的命名

PAL共有21種，通過(guò)不同的命名可以區(qū)別。圖8-17PAL的命名2/11/202516

（4）PAL的優(yōu)點(diǎn)：

①

提高了功能密度，節(jié)省了空間。通常一片PAL可以代替4～12片SSI或2～4片MSI。同時(shí)，雖然PAL只有20多種型號(hào)，但可以代替90％的通用器件，因而進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以大大減少器件的種類(lèi)。

②提高了設(shè)計(jì)的靈活性，且編程和使用都比較方便。

③

有上電復(fù)位功能和加密功能，可以防止非法復(fù)制。2/11/202517

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)Lattice半導(dǎo)體公司研制。

GAL的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出端有一個(gè)組態(tài)可編程的輸出邏輯宏單元OLMC，通過(guò)編程可以將GAL設(shè)置成不同的輸出方式。這樣，具有相同輸入單元的GAL可以實(shí)現(xiàn)PAL器件所有的輸出電路工作模式，故而稱(chēng)之為通用可編程邏輯器件。

GAL與PAL的區(qū)別：

①PAL是PROM熔絲工藝，為一次編程器件，而GAL是E2PROM工藝，可重復(fù)編程；

②PAL的輸出是固定的，而GAL用一個(gè)可編程的輸出邏輯宏單元（OLMC）做為輸出電路。GAL比PAL更靈活，功能更強(qiáng)，應(yīng)用更方便，幾乎能替代所有的PAＬ器件。2．通用可編程邏輯器件（GAL）2/11/202518

GAL分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是普通型，它的與、或結(jié)構(gòu)與PAL相似，如GAL16V8，GAL20V8等。另一類(lèi)為新型，其與、或陣列均可編程，與PLA相似，主要有GAL39V8。

例：普通型GAL16V8的基本特點(diǎn)。

（1）GAL的基本結(jié)構(gòu)。

①

8個(gè)輸入緩沖器和8個(gè)輸出反饋/輸入緩沖器。

②8個(gè)輸出邏輯宏單元OLMC和8個(gè)三態(tài)緩沖器，每個(gè)OLMC對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O引腳。2/11/202519GAL16V8的邏輯圖2/11/202520

GAL器件沒(méi)有獨(dú)立的或陣列結(jié)構(gòu)，各個(gè)或門(mén)放在各自的輸出邏輯宏單元（OLMC）中。

③由8×8個(gè)與門(mén)構(gòu)成的與陣列，共形成64個(gè)乘積項(xiàng)，每個(gè)與門(mén)有32個(gè)輸入項(xiàng)，由8個(gè)輸入的原變量、反變量（16）和8個(gè)反饋信號(hào)的原變量、反變量（16）組成，故可編程與陣列共有32×8×8=2048個(gè)可編程單元。

④系統(tǒng)時(shí)鐘CK

和三態(tài)輸出選通信號(hào)OE的輸入緩沖器。

2/11/202521OLMC的邏輯圖（2）輸出邏輯宏單元（OLMC）的結(jié)構(gòu)2/11/202522或門(mén)：有8個(gè)輸入端，和來(lái)自與陣列的8個(gè)乘積項(xiàng)（PT）相對(duì)應(yīng)。異或門(mén)：用于選擇輸出信號(hào)的極性。

D觸發(fā)器：使GAL適用于時(shí)序邏輯電路。

4個(gè)多路開(kāi)關(guān)（MUX）：在結(jié)構(gòu)控制字段作用下設(shè)定輸出邏輯宏單元的狀態(tài)。

2/11/202523圖8-18GAL的結(jié)構(gòu)控制字（3）GAL的結(jié)構(gòu)控制字

①XOR（n）：輸出極性選擇位。共有8位，分別控制8個(gè)OLMC的輸出極性。異或門(mén)的輸出D與它的輸入信號(hào)B和XOR（n）之間的關(guān)系為：

D＝B⊕XOR

當(dāng)XOR＝0時(shí)，即D=B；當(dāng)XOR＝1時(shí)，即D=B

2/11/202524

②SYN（n）：時(shí)序邏輯電路/組合邏輯電路選擇位。當(dāng)SYN＝0時(shí)，D觸發(fā)器處于工作狀態(tài)，OLMC可為時(shí)序邏輯電路；當(dāng)SYN=1時(shí)，D觸發(fā)器處于非工作狀態(tài)，OLMC只能是組合邏輯電路。注意：當(dāng)SYN＝0時(shí)，可以通過(guò)其它控制字，使D觸發(fā)器不被使用，這樣便可以構(gòu)成組合邏輯輸出。但只要有一個(gè)OLMC需要構(gòu)成時(shí)序邏輯電路時(shí)，就必須使SYN＝0。

③AC0、AC1（n）：與SYN相配合，用來(lái)控制輸出邏輯宏單元的輸出組態(tài)。

2/11/202525（4）GAL的5種工作模式SYNAC0AC1XOR功能輸出極性101/組合邏輯專(zhuān)用輸入三態(tài)門(mén)禁止/10001組合邏輯專(zhuān)用輸出低有效高有效11101組合邏輯帶反饋雙向I/O輸出低有效高有效01101時(shí)序邏輯組合I/O輸出低有效高有效01001時(shí)序邏輯寄存器輸出低有效高有效只要寫(xiě)入不同的結(jié)構(gòu)控制字，就可以得到不同類(lèi)型的輸出電路結(jié)構(gòu)。

2/11/2025268.2.3復(fù)雜的可編程邏輯器件（CPLD）

基本包含三種結(jié)構(gòu)：

CPLD是陣列型高密度可編程控制器，其基本結(jié)構(gòu)形式和PAL、GAL相似，都由可編程的與陣列、固定的或陣列和邏輯宏單元組成，但集成規(guī)模都比PAL和GAL大得多。

邏輯陣列塊（LAB）可編程I/O單元可編程連線(xiàn)陣列（PIA）。

返回2/11/202527圖8-19CPLD的結(jié)構(gòu)圖2/11/202528

⑴邏輯陣列塊（LAB）

一個(gè)LAB由十多個(gè)宏單元的陣列組成。每個(gè)宏單元由三個(gè)功能塊組成：邏輯陣列乘積項(xiàng)選擇矩陣可編程寄存器它們可以被單獨(dú)的配置為時(shí)序邏輯或組合邏輯工作方式。如果每個(gè)宏單元中的乘積項(xiàng)不夠用時(shí)，還可以利用其結(jié)構(gòu)中的共享和并聯(lián)擴(kuò)展乘積項(xiàng)。2/11/202529

⑵可編程I/O單元

I/O端常作為一個(gè)獨(dú)立單元處理。通過(guò)對(duì)I/O端口編程，可以使每個(gè)引腳單獨(dú)的配置為輸入輸出和雙向工作、寄存器輸入等各種不同的工作方式。

⑶可編程連線(xiàn)陣列在各LAB之間以及各LAB和I/O單元之間提供互連網(wǎng)絡(luò)。這種互連機(jī)制有很大的靈活性，它允許在不影響引腳分配的情況下改變內(nèi)部的設(shè)計(jì)。

2/11/2025308.2.4現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）

是20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的高密度PLD。采用類(lèi)似于掩模編程門(mén)陣列的通用結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部由許多獨(dú)立的可編程邏輯模塊組成，用戶(hù)可以通過(guò)編程將這些模塊連接成所需要的數(shù)字系統(tǒng)。它具有密度高、編程速度快、設(shè)計(jì)靈活和可再配置等許多優(yōu)點(diǎn)，因此FPGA自1985年由Xilinx公司首家推出后，便受到普遍歡迎，并得到迅速發(fā)展。

FPGA的功能由邏輯結(jié)構(gòu)的配置數(shù)據(jù)決定。工作時(shí)，這些配置數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)的SRAM或熔絲圖上。基于SRAM的FPGA器件，在工作前需要從芯片外部加載配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)可以存