《可编程逻辑器件》PPT课件

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1、第六章可编程逻辑器件•本章概要：本章介绍PLA、PAL、GAL、CPLD、EPLD和FPGA等各种类型可编程逻辑器件的电路结构、工作原理和使用方法，并介绍可编程逻辑器件的编程方法。•知识要点：（1）可编程逻辑器件的分类。（2）可编程逻辑器件的结构及特性。（3）可编程逻辑器件的编程方法。6.1可编程逻辑器件的基本原理PROM是始于1970年出现第一块可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogicDevice），随后可编程逻辑器件又陆续出现了PLA、PAL、GAL、EPLD及现阶段的CPLD和FPGA等。可编程逻辑器件的出现，不仅改变了传统的

2、数字系统设计方法，而且促进了EDA技术的高速发展。EDA技术是以计算机为工具，代替人去完成数字系统设计中各种复杂的逻辑综合、布局布线和设计仿真等工作。设计者只需用硬件描述语言完成对系统功能的描述，就可以由计算机软件自行完成处理，得到设计结果。利用EDA工具进行设计，可以极大地提高设计的效率。6.1.1可编程逻辑器件的分类可编程逻辑器件的密度分类低密度可编程逻辑器件(LDPLD)高密度可编程逻辑器件(HDPLD)可编程逻辑器件(PLD)PROMPLAPALGALEPLDCPLDFPGA1．按集成密度分类可编程逻辑器件从集成密度上可分为低密度可编程逻辑

3、器件LDPLD和高密度可编程逻辑器件HDPLD两类。LDPLD通常是指早期发展起来的、集成密度小于1000门/片左右的PLD如ROM、PLA、PAL和GAL等。HDPLD包括可擦除可编程逻辑器件EPLD（ErasableProgrammableLogicDevice）、复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexPLD）和FPGA三种，其集成密度大于1000门/片。如Altera公司的EPM9560，其密度为12000门/片，Lattice公司的pLSI/ispLSI3320为14000门/片等。目前集成度最高的HDPLD可达5亿晶体管/片以上。2.

4、按编程方式分类可编程逻辑器件的编程方式分为两类：一次性编程OTP（OneTimeProgrammable）器件和可多次编程MTP（ManyTimeProgrammable）器件。OTP器件是属于一次性使用的器件，只允许用户对器件编程一次，编程后不能修改，其优点是可靠性与集成度高，抗干扰性强。MTP器件是属于可多次重复使用的器件，允许用户对其进行多次编程、修改或设计，特别适合于系统样机的研制和初级设计者的使用。根据各种可编程元件的结构及编程方式，可编程逻辑器件通常又可以分为四类：①采用一次性编程的熔丝（Fuse）或反熔丝（Antifuse）元件的可编

5、程器件，如PROM、PAL和EPLD等。②采用紫外线擦除、电可编程元件，即采用EPROM、UVCMOS工艺结构（即指EEPROM工艺结构）的可多次编程器件。③采用电擦除、电可编程元件。其中一种是E2PROM，另一种是采用快闪存储器单元（FlashMemory）结构的可多次编程器件。④基于基于查找表LUT、静态存储器SRAM工艺的可多次编程器件。目前多数FPGA是基于SRAM结构的可编程器件。何谓反熔丝技术？反熔丝技术（antifusetechnology）是相对于熔丝技术（fusetechnology）而言的。我们知道熔丝技术广泛用于各种PLD中，

6、例如PAL，当PAL在编程器中被烧录之后，原先短接的点变为断开了。反熔丝技术恰相反，原来断接的点在烧录之后，短接上了，这种短接是永久性的。Actel公司用的是他们称作PLICE的反熔丝技术。PLICE技术是在反熔丝点上部有一个多晶硅层，下层为一个N＋扩散层，两层之间是ONO（Oxide－Nitride－Oxide）的绝缘层。在未编程状态下，反熔丝连接点阻抗超过100MΩ，呈断开状态；在编程以后，阻抗典型值为500Ω。CROSSPOINT与Quicklogic的反熔丝技术与Actel类似，它们是在两层金属或一层金属与一层多晶硅间有一层无定形硅，当一个

7、约11Ｖ～20Ｖ电压加在反熔丝点以后，断接的点就短接上了，阻抗为50Ω～100Ω之间。反熔丝技术的特点，决定了反熔丝单元较小，占用芯片面积小，工作频率高，有加密位，反拷贝，抗辐射抗干扰，不需外接PROM或EPROM，适合航天、军事、工业等各领域。反熔丝技术的缺点也是明显的，它只能一次编程，需要专门的编程器，这都潜在地影响了系统的开发成本。3.按结构特点分类PLD按结构特点分为阵列型PLD和现场可编程门阵列型FPGA两大类。阵列型PLD的基本结构由与阵列和或阵列组成。简单PLD（如PROM、PLA、PAL和GAL等）、EPLD和CPLD都属于阵列型P

8、LD。现场可编程门阵列型FPGA具有门阵列的结构形式，它有许多可编程单元（或称逻辑功能块）排成阵列组成，称为单元型PLD。