数字系统设计与EDA技术 第3章 可编程逻辑器件

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1、第3章可编程逻辑器件本章要点可编程逻辑器件的分类和符号Altera公司的可编程逻辑康芯GW48-PK2实验开发平台3.1概述3.1.1PLD的特点和分类1.PLD的特点1）集成度高、可靠性好。2）工作速度快。3）提高系统的设计灵活性。4）缩短设计周期。5）增加系统的保密性能。可以通过编程改变逻辑门连接关系的集成电路芯片就是可编程逻辑器件（PLD），现已成为设计数字系统的理想器件。2.PLD的分类从器件结构上看，目前使用的可编程逻辑器件都是由输入缓冲电路、与阵列、或阵列和输出电路四部分组成。根据结构特点可以将PLD划分为简单PLD（SPLD）、复杂PLD（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA

2、）3类。3.1.2PLD的编程工艺1．简单PLD的编程工艺:简单PLD采用熔丝（Fuse）编程工艺，其原理是在器件可以编程的互连节点上设置有相应的熔丝。2．CPLD的编程工艺:CPLD器件采用可重复的编程工艺，主要有EPROM（可擦除的ROM）、E2PROM（可电擦除的ROM）和FlashROM（闪速擦除的ROM）工艺。3．FPGA的编程工艺:FPGA器件常用的编程工艺主要有反熔丝(Antifuse)和静态存储器（SRAM）两种。Actel公司的FPGA采用反熔丝工艺，Xilinx公司的FPGA采用SRAM工艺。3.1.3PLD中阵列的表示方法1．缓冲器和连接点缓冲器和连接点的表示方法如图所

3、示。从图中可以看出PLD有3种连线连接方式：连线交叉点处为实点标记，表示固定连接、交叉点为×标记表示编程连接、连线交叉但无标记的表示没有连接。2．与门和或门a）与阵列b）或阵列3.1.4简单可编程逻辑器件1．可编程只读存储器（PROM）PROM最初是作为计算机存储器设计和使用的，后来才被用作PLD。PROM的内部结构是固定的与阵列和可编程的或阵列，如图所示。PROM的内部结构示意图例如和的逻辑关系，可以用PROM实现，如图所示用PROM表示的逻辑关系PROM是一种速度快、成本低、编程容易的PLD，能够实现随机逻辑置换、译码器、编码器、错误检测与校正、查找表和分布算法等。但当输入信号的数目较多

4、时，其与阵列的规模会变得很大，从而导致器件成本升高、功耗增加、可靠性降低等问题出现。2．可编程逻辑阵列（PLA）PLA的内部结构示意图PLA的与阵列和或阵列都可编程，任何组合函数都可以用PLA来实现。虽然PLA的利用率较高，可是需要逻辑函数的最简与或表达式，对于多输出函数需要提取、利用公共的与项，涉及的软件算法比较复杂，尤其是多输入和多输出的逻辑函数，处理上更加困难。3．可编程阵列逻辑（PAL）PAL的内部结构示意图与阵列可编程、或阵列固定的结构避免了PLA存在的软件算法复杂问题，运行速度也有所提高。从PAL的结构可知，各个逻辑函数输出化简，不必考虑公共的乘积项。送到或门的乘积项数目是固定的

5、，大大简化了设计算法，同时也使单个输出的乘积项数量有限。4．通用阵列逻辑（GAL）GAL具有电可擦除重复编程的特点，彻底解决了熔丝型可编程器件的重复可编程问题。GAL在与、或阵列结构上沿用了PAL的与阵列可编程、或阵列固定的结构，但对PAL输出的I/O结构进行了较大改进，在GAL的输出部分增加了输出逻辑宏单元OLMC（OutputLogicMacroCell）。GAL的OLMC单元设有多种组态，可配置成专用组合输出、双向组合输出、寄存器输出、寄存器双向输出等。GAL的特性如下：1）通用性和应用灵活性较高。2）可重复编程。3）性能可测试。3.2Altera公司的可编程逻辑器件3.2.1Alte

6、ra公司的CPLDAltera公司的CPLD器件主要有Classic系列、MAX3000系列、MAX5000系列、MAX7000系列和MAX9000系列，这些器件系列都具有可重复编程的功能，Classic系列和MAX5000系列采用EPROM（紫外线擦除的可编程存储器）工艺；MAX3000、MAX7000、MAX9000系列采用E2PROM（电可擦除可编程存储器）工艺。由于MAX7000系列在国内应用较为广泛，其结构具有一定的代表性。1．MAX7000系列MAX7000系列是Altera公司销售量最大的产品，属于高性能、高密度的CPLD。在结构上包含逻辑阵列块（LAB）、宏单元、扩展乘积项、

7、可编程连线阵列（PIA）和I/O控制块。MAX7000系列包含600～5000个可用门、32～256个宏单元、44～208个用户I/O管脚、管脚到管脚最短延迟为5.0ns，计数器最高工作频率可达178.6MHz。2．Classic系列Classic系列是Altera公司最早的产品系列，其集成度可达900可用门、68个管脚。工业标准的Classic系列由一个具有公共互连逻辑的阵列构成，适合于集成度低、价格便宜的