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2023/1/22,1,第8章 存储器和可编程逻辑器件简介,8.2.3 复杂的可编程逻辑器件（CPLD）,8.2.2 普通可编程逻辑器件,8.2 可编程逻辑器件(PLD)简介,8.2.4 现场可编程门阵列（FPGA）,8.2.1 概述,2023/1/22,2,复习,只读存储器的分类？各自特点？,2023/1/22,3,8.2.1 概述,8.2 可编程逻辑器件(PLD)简介,1.PLD在数字集成芯片中的位置,数字 SSI、MSI集成 LSI、VLSI电路 ASIC 全定制ASIC 门阵列 半定制ASIC 标准单元 PLD,2023/1/22,4,（1）数字集成电路按照芯片设计方法的不同分类：,通用型SSI、MSI集成电路；LSI、VLSI集成电路，如微处理器、单片机等；专用集成电路ASIC（LSI或VLSI）。,2023/1/22,5,（2）ASIC分类,全定制ASIC：硅片没有经过预加工，其各层掩模都是按特定电路功能专门制造的。半定制ASIC：按一定规格预先加工好的半成品芯片，然后再按具体要求进行加工和制造，包括门阵列、标准单元和可编程逻辑器件(PLD)三种。,2023/1/22,6,2.可编程逻辑器件(PLD),（1）定义：PLD是厂家作为一种通用型器件生产的半定制电路，用户可以利用软、硬件开发工具对器件进行设计和编程，使之实现所需要的逻辑功能。（2）PLD的基本结构框图 其中输入缓冲电路可产生输入变量的原变量和反变量，并提供足够的驱动能力。,2023/1/22,7,（3）按集成度分类：低密度PLD(LDPLD)：结构简单，成本低、速度高、设计简便，但其规模较小(通常每片只有数百门)，难于实现复杂的逻辑。,按编程部位分类LDPLD,2023/1/22,8,高密度PLD(HDPLD)：,（4）PLD器件的优点 缩短设计周期，降低设计风险 高可靠性和可加密性 降低了产品生产的总费,2023/1/22,9,（5）常采用可编程元件(存储单元)的类型：,一次性编程的熔丝或反熔丝元件；紫外线擦除、电可编程的EPROM(UVEPROM)存储单元，即UVCMOS工艺结构；电擦除、电可编程存储单元，一类是E2PROM即E2CMOS工艺结构，另一类是快闪(Flash)存储单元；基于静态存储器(SRAM)的编程元件。其中，类和类目前使用最广泛。,2023/1/22,10,图8-15 几种常用逻辑符号表示方法（a）输入缓冲器（b）与门（c）或门（d）三种连接,（6）几种常见的逻辑符号表示方法,2023/1/22,11,8.2.2 普通可编程逻辑器件,1.可编程阵列逻辑（PAL）,（1）PAL的结构 与阵列可编程；或阵列固定 输出电路固定,图8-16 PAL的结构,2023/1/22,12,（2）PAL的输出结构 专用输出结构。输出端只能输出信号，不能兼作输入。只能实现组合逻辑函数。目前常用的产品有PAL10H8、PAL10L8等。,2023/1/22,13,可编程I/O结构。输出端有一个三态缓冲器，三态门受一个乘积项的控制。当三态门禁止，输出呈高阻状态时，I/O引脚作输入用；当三态门被选通时，I/O引脚作输出用。,2023/1/22,14,寄存器输出结构。输出端有一个D触发器，在使能端的作用下，触发器的输出信号经三态门缓冲输出。能记忆原来的状态，从而实现时序逻辑功能。,2023/1/22,15,异或寄存器型输出结构。输出部分有两个或门，它们的输出经异或门后再经D触发器和三态缓冲器输出，这种结构便于对与或逻辑阵列输出的函数求反，还可以实现对寄存器状态进行维持操作，适用于实现计数器及状态。（A0=A，A1=A）,2023/1/22,16,（3）PAL的命名 PAL共有21种，通过不同的命名可以区别。,图8-17 PAL的命名,2023/1/22,17,（4）PAL的优点：提高了功能密度，节省了空间。通常一片PAL可以代替412片SSI或24片MSI。同时，虽然PAL只有20多种型号，但可以代替90的通用器件，因而进行系统设计时，可以大大减少器件的种类。,提高了设计的灵活性，且编程和使用都比较方便。有上电复位功能和加密功能，可以防止非法复制。,2023/1/22,18,20世纪80年代初，美国Lattice半导体公司研制。GAL的结构特点：输出端有一个组态可编程的输出逻辑宏单元OLMC，通过编程可以将GAL设置成不同的输出方式。这样，具有相同输入单元的GAL可以实现PAL器件所有的输出电路工作模式，故而称之为通用可编程逻辑器件。GAL与PAL的区别：PAL是PROM熔丝工艺，为一次编程器件，而GAL是E2 PROM工艺，可重复编程；PAL的输出是固定的，而GAL用一个可编程的输出逻辑宏单元（OLMC）做为输出电路。GAL比PAL更灵活，功能更强，应用更方便，几乎能替代所有的PA器件。,2通用可编程逻辑器件（GAL）,2023/1/22,19,GAL分为两大类：一类是普通型，它的与、或结构与PAL相似，如GAL16V8，GAL20V8等。另一类为新型，其与、或阵列均可编程，与PLA相似，主要有GAL39V8。,例：普通型GAL16V8的基本特点。（1）GAL的基本结构。8个输入缓冲器和8个输出反馈/输入缓冲器。8个输出逻辑宏单元OLMC和8个三态缓冲器，每个OLMC对应一个I/O引脚。,2023/1/22,20,GAL16V8的逻辑图,2023/1/22,21,GAL器件没有独立的或阵列结构，各个或门放在各自的输出逻辑宏单元（OLMC）中。,由88个与门构成的与阵列，共形成64个乘积项，每个与门有32个输入项，由8个输入的原变量、反变量（16）和8个反馈信号的原变量、反变量（16）组成，故可编程与阵列共有3288=2048个可编程单元。,系统时钟CK 和三态输出选通信号OE的输入缓冲器。,2023/1/22,22,OLMC的逻辑图,（2）输出逻辑宏单元（OLMC）的结构,2023/1/22,23,或门：有8个输入端，和来自与阵列的8个乘积项（PT）相对应。异或门：用于选择输出信号的极性。D触发器：使GAL适用于时序逻辑电路。4个多路开关（MUX）：在结构控制字段作用下设定输出逻辑宏单元的状态。,2023/1/22,24,图8-18 GAL的结构控制字,（3）GAL的结构控制字,XOR（n）：输出极性选择位。共有8位，分别控制8个OLMC的输出极性。异或门的输出D与它的输入信号B和XOR（n）之间的关系为：D BXOR 当XOR0时，即D=B；当XOR1时，即D=B,2023/1/22,25,SYN（n）：时序逻辑电路/组合逻辑电路选择位。当SYN0时，D触发器处于工作状态，OLMC可为时序逻辑电路；当SYN=1时，D触发器处于非工作状态，OLMC只能是组合逻辑电路。注意：当SYN0时，可以通过其它控制字，使D触发器不被使用，这样便可以构成组合逻辑输出。但只要有一个OLMC需要构成时序逻辑电路时，就必须使SYN0。,AC0、AC1（n）：与 SYN相配合，用来控制输出逻辑宏单元的输出组态。,2023/1/22,26,（4）GAL的5种工作模式,只要写入不同的结构控制字，就可以得到不同类型的输出电路结构。,2023/1/22,27,8.2.3 复杂的可编程逻辑器件（CPLD）,基本包含三种结构：,CPLD是阵列型高密度可编程控制器，其基本结构形式和PAL、GAL相似，都由可编程的与阵列、固定的或阵列和逻辑宏单元组成，但集成规模都比PAL和GAL大得多。,逻辑阵列块（LAB）可编程I/O单元可编程连线阵列（PIA）。,返回,2023/1/22,28,图8-19 CPLD的结构图,2023/1/22,29,逻辑阵列块（LAB）,一个LAB由十多个宏单元的阵列组成。每个宏单元由三个功能块组成：逻辑阵列 乘积项选择矩阵 可编程寄存器,它们可以被单独的配置为时序逻辑或组合逻辑工作方式。如果每个宏单元中的乘积项不够用时，还可以利用其结构中的共享和并联扩展乘积项。,2023/1/22,30,可编程I/O单元 I/O端常作为一个独立单元处理。通过对I/O端口编程，可以使每个引脚单独的配置为输入输出和双向工作、寄存器输入等各种不同的工作方式。,可编程连线阵列 在各LAB之间以及各LAB和I/O单元之间提供互连网络。这种互连机制有很大的灵活性，它允许在不影响引脚分配的情况下改变内部的设计。,2023/1/22,31,8.2.4 现场可编程门阵列（FPGA）,是20世纪80年代中期出现的高密度PLD。采用类似于掩模编程门阵列的通用结构，其内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接成所需要的数字系统。它具有密度高、编程速度快、设计灵活和可再配置等许多优点，因此FPGA自1985年由Xilinx公司首家推出后，便受到普遍欢迎，并得到迅速发展。FPGA的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这些配置数据存放在片内的SRAM或熔丝图上。基于SRAM的FPGA器件，在工作前需要从芯片外部加载配置数据。配置数据可以存储在片外的EPROM、E2PROM或计算机软、硬盘中。人们可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场编程。,返回,2023/1/22,32,图8-20 FPGA的基本结构,2023/1/22,33,FPGA的基本结构：可编程逻辑模块CLB 输入输出模块IOB 互连资源IR,可编程逻辑模块CLB 结构形式：查找表结构 多路开关结构 多级与非门结构。,电路组成：逻辑函数发生器触发器数据选择器信号变换,2023/1/22,34,可编程输入输出模块(IOB)IOB主要完成芯片内部逻辑与外部封装脚的接口，它通常排列在芯片的四周；提供了器件引脚和内部逻辑阵列的接口电路。每一个IOB控制一个引脚(除电源线和地线引脚外)，将它们可定义为输入、输出或者双向传输信号端。,2023/1/22,35,可编程互连资源(IR)包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关。连线通路的数量与器件内部阵列的规模有关，阵列规模越大，连线数量越多。互连线按相对长度分为单线、双线和长线三种。,
