江南大学微电子电子设计自动化第2章201209

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1、幻灯片1第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述2.2复杂可编程逻辑器件(CPLD)2.3现场可编程门阵列(FPGA)2.4在系统可编程(ISP)逻辑器件2.5FPGA和CPLD的开发应用选择幻灯片2第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，减少了产品的物理尺寸，但是ASIC芯片都必须到IC厂家去加工制造才能完成，设计制造周期长，且一旦有了错误，需重新修改设计和制造，成本和时间大大增加。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的ASI

2、C芯片并马上投入使用，而且可反复编程，修改错误，大大方便设计者。这就是可编程逻辑器件提出的基本思想。幻灯片3第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件PLD(ProgrammableLogicDevice)是允许用户编程(配置)实现所需逻辑功能的电路。它与分立元件相比，具有速度快、容量大、功耗小和可靠性高等优点。和大规模专用集成电路相比，有研制周期短、先期投资少，修改逻辑设计方便、小批量生产成本低等优点。不久的将来可能将全部取代分立数字元件，目前一些数字集成电路生产厂商已经停止了分立数字集成电路的生产。幻灯片4第二章大规模可编程逻辑器件2

3、.1可编程逻辑器件概述PLD的发展历程早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可擦除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。幻灯片5第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述幻灯片6第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述最早出现的PLD就是可编程只读存储器PROM。它是由固定连接的“与”阵列和可编程的“或”阵列组成。PROM缺点：由于与阵列是固定的，不能编程，灵活性较差。而大多数逻辑函数不需要使用输入的全部可能组合，这就使得PROM的与阵列不能充分

4、利用，造成浪费。为了增大芯片的容量，与门阵列可以做的很大，但阵列愈大，开关延迟时间愈长，速度较慢。幻灯片7第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(PLD)，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。幻灯片8第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述PLA中包含一个可编程连接的“与”矩阵和一个可编程连接的“或”矩阵，为了减小阵列规模，提高器件速度，与

5、门阵列不采用全译码式，与门个数小于2n（n为输入项数）。幻灯片9第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述上图右边实现的逻辑函数如下：PLA器件对于逻辑功能的处理比较灵活，但处理逻辑功能较简单的电路时比较浪费资源，相应的编程工具花费也较大。因此在PLA器件的基础上，发展了PAL器件和GAL等PLD器件。幻灯片10第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述PAL由一个可编程的“与”阵列和一个固定的“或”阵列构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。幻

6、灯片11第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL(GenericArrayLogic)GAL是基本PAL结构的增强型器件，具有与PAL器件相同的基本结构形式，既采用可编程“与”矩阵及固定的“或”矩阵结构，但是编程方式不同。GAL有如下优点1)采用CMOS的浮栅工艺；可以重复编程由于采用CMOS工艺而使器件速度提高，功耗下降具有不挥发性，在器件掉电后不必对GAL器件重新编程有一种“安全保护单元”，允许对GAL器件实现安全保护2)采用了一种可编程输出逻辑宏单元OLMC(OutputLogicMacroCel

7、l)。幻灯片12第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述GAL是基本PAL结构的增强型器件，具有输出逻辑宏单元幻灯片13第二章大规模可编程逻辑器件2.1可编程逻辑器件概述这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期。Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)和与标准门阵列类似的FPGA(FieldProgrammableGateArray)，它们都具有体系结

8、构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围