第4章 可编程逻辑器件(2)

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1、第4章可编程逻辑器件本章内容4.1PLD简介4.2PLD编程原理和方式4.3PLD的分类4.4CPLD和FPGA4.5Altera公司的PLD4.1PLD简介4.1.1PLD的发展早期：有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种其后：主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)20世纪80年代中期：Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型和与标准门阵列类似的FPGA4.1.2PLD的基本结构和特点1PLD的基本结构典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列、输入输出电路和输出电路组

2、成。如图所示：2PLD的特点PLD的系统设计具有如下特点：减小系统体积，增强逻辑设计的灵活性，缩短设计周期，提高系统处理速度，降低系统成本，提高系统的可靠性，系统具有加密功能。各种PLD结构特点如表所示：4.2PLD编程原理和方式4.2.1PLD编程原理1“与”阵列和“或”阵列编程方法所谓的可编程是指改变“与”阵列和“或”阵列内部连线方式的编程方式。电路可以通过软件编程，确定“与”矩阵和“或”矩阵内部的硬件电路的连接。结合教材通过可变模计数器的例子来说明如何实现电路逻辑功能的可编程。2编程实现连线通过电子开关实现连线的可编程，电子开关有MOS晶体管和传输门。如图所示是一个通用开

3、关阵列。3编程实现数据传输数据传输的编程一般是通过异或门或数据选择器实现的。下图(a)是采用异或门的形式。下图(b)是采用MUX的形式。4.2.2PLD的编程方式1掩膜编程最开始的ROM是由半导体生产厂制造的，阵列中各点间的连线用厂家专门为用户设计的掩膜板制作。2熔丝与反熔丝编程（1）熔丝编程横线与纵线的交叉点全是熔丝，不需要的连接的熔丝烧断，一次性编程。编程机理示意图如下：（2）反熔丝编程各连接点不是熔丝，而是一种PLICE编程单元。如下图所示。未编程时纵线和横线间是不通的，编程时对需要连接处加上高压使其中PLICE介质击穿而短路，使该点逻辑连接。3紫外线擦除、电可编程只读存

4、储器编程简称EPROM，其编程熔丝是一只叠栅型SIMOS管，其结构图如下图所示。4电擦除、电可编程只读存储器编程简称EEPROM，与EPROM结构相似，只是浮栅与漏极间有一薄氧化层，厚度只有80埃，可产生“隧道效应”。它的编程和擦除是同时进行的，每编程一次，就以新的信息代替了原来的信息，整个编程时间不到1秒。5闪速型（Flash）存储单元编程闪速存储单元又称为快擦快写存储单元，下图为闪速存储单元的截面示意图：闪速存储单元比隧道型存储单元的芯片结构更简单、更有效，使闪速存储单元制成的PLD器件密度更高。这种编程器件可以不用编程器而直接在目标系统或线路板上进行编程，所以称它为在系统

5、编程Isp。综上所述，ROM的编程方法是按“掩膜ROM→PROM→EPROM→E2PROM→ISP”的次序发展的。6可编程只读存储器PROM编程可编程只读存储器PROM的结构，由下图知，它是由存储矩阵、地址译码器及输出部分组成。地址译码器输入n位二进制码可寻址2n个信息单元，产生字线为2n条，其输出若是m位，则存储器的总容量为2n×m位。4.3PLD的分类4.3.1根据“与”阵列和“或”阵列是否可编程分类1“与”阵列固定,“或”阵列可编程器件这一类型的代表器件是PROM和EPROM。右图是一个8×3（与门×或门）阵列结构。因为“与”阵列固定，输入信号的每个组合都固定连接，所以“

6、与”门阵列为全译码阵列。8×3（与门×或门）阵列结构图2．“与”阵列和“或”阵列均可编程器件这种类型的代表器件是PLA，右图给出了PLA的阵列结构。由于它具有“与”和“或”阵列均能编程的特点，在实现函数时，只形成所需的乘积项，使阵列规模比输入数相同的“与”阵列固定、“或”阵列可编程的PROM小得多。PLA的阵列结构图3．“或”阵列固定，“与”阵列可编程器件这种类型的代表器件是PAL、GAL。这种结构中，“或”阵列固定若干个乘积项输出，如右图。图中每个输出对应的乘积项有两个。在典型的器件中，乘积项可达8个，在高密度PLD中乘积项可高达几十个。或阵列固定，与阵列可编程4.3.2根据

7、性能分类1PLA器件：PLA是“与”阵列和“或”阵列均可编程，根据需要产生乘积项，减小了阵列的规模。对于多输入、多输出的逻辑函数可以利用公共的“与”项，提高了阵列利用率。2GAL器件：GAL是在PAL基础上发展起来的一种具有较高可靠性和灵活性的新型可编程逻辑器件，GAL和PAL在结构上的区别见下图：3高密度可编程逻辑器件（1）结构高密度可编程逻辑器件HDPLD（HighDensityProgrammableLogicDevice）从芯片密度上有了很大的改进，单片芯片内可以集成成千上万个等效逻