第2章 可编程逻辑器件.ppt

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1、第二章可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogicDevice）是从20世纪70年代发展起来的一种允许用户配置的集成逻辑器件。可编程器件PLD与专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIC）相比较，因其具有成本低、使用灵活、设计周期短、可靠性高等特点，极大促进数字集成电路的发展。可编程逻辑器件PLD经历了从逻辑规模比较小的简单PLD（PROM、PLA、PAL、GAL）到采用大规模集成电路技术的复杂PLD的发展进程，在结构、工艺、集成度、速度和性能等方面都得到极大的提高

2、。目前，应用最广泛的PLD主要是复杂可编程器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）和现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）。2.1简单PLD的基本结构数字电路系统包含有两类数字电路：一类是组合逻辑电路:其特点是任一时刻的输出信号状态仅取决于当前的输入信号状态；另一类是时序电路:它由组合逻辑电路和存储逻辑电路两部分组成。其特点是任一时刻的输出信号状态不仅取决于当时的输入信号状态，而且还取决于电路原来的信号状态。在数字系统中，根据布尔代数的知

3、识，可知任何组合逻辑函数都可以用与或表达形式描述，也即可用“与门-或门”两种基本门电路实现任何组合逻辑电路，而任何时序逻辑电路又都是由组合逻辑电路加上存储元件（触发器）构成的。可编程电路结构由输入处理电路、与阵列、或阵列、输出处理电路等四种功能部分组成，其基本结构如图2-1所示。输入处理电路输出处理电路与阵列或阵列………图2-1简单PLD的基本结构输入输出与阵列和或阵列是电路的主体，其功能主要是用来实现组合逻辑函数。输入处理电路是由输入缓冲器组成，其功能主要是使输入信号具有足够的驱动能力并产生输入变量的原变量以及反

4、变量两个互补的信号。输出处理电路主要是由三态门寄存器组成，其功能主要是提供不同的输出方式，可以由或阵列直接输出（组合方式），也可以通过寄存器输出（时序方式）。可编程电路结构（a）（b）（c）图2-2PLD阵列线连接表示和逻辑图形符号AAA（d）ABCDY=ACD（e）（f）ABCDY=A+B+D十字交叉线表示两条线未连接交叉线的交叉点处打上黒实点在交叉线的交叉点上打叉，表示该点是个可编程点是互补输出的缓冲器多输入端与门多输入端或门20世纪70年代初期的PLD主要是：可编程只读存储器PROM（Programmable

5、ReadOnlyMemory）可编程逻辑阵列PLA（ProgrammableLogicArray）。在PROM中，与门阵列固定，或门阵列可编程，PROM只能实现组合逻辑电路；在组合逻辑函数的输入变量增多时，PROM的存储单元利用率比较低；PROM的与阵列采用的是全译码，产生了全部最小项；PROM是采用熔丝工艺，只可一次性编程使用。图2-3PROM阵列结构A0A1A3Y0Y1Y2可编程逻辑阵列PLA是对PROM进行改进而产生的。在PLA中，与门阵列和或门阵列都是可编程，其阵列结构如图2-4所示。虽然PLA的存储单元利

6、用率相对较高，但是其与阵列和或阵列都是可编程，造成软件算法复杂，运行速度大幅下降；并且该器件依然是采用熔丝工艺，只可一次性编程使用。图2-4PLA阵列结构A0A1A3Y0Y1Y220世纪70年代末期，MMI公司率先推出可编程阵列逻辑PAL(ProgrammableArrayLogic)器件。在PAL中与门阵列是可编程的，而或阵列是固定的，其阵列结构如图2-5所示。虽PAL具有多种输出和反馈结构，为逻辑设计提供一定的灵活性，但是不同的PAL器件具有独立的、单一性的输出结构，从而造成PAL器件的通用性比较差；此外，PA

7、L器件仍采用熔丝工艺，只可一次性编程使用。图2-5PAL阵列结构A0A1A3Y0Y1Y220世纪80年代中期，Lattice公司在PAL的基础上，设计出了通用逻辑阵列GAL（GenericArrayLogic）器件，GAL在阵列结构上保留了PAL的与阵列可编程、或阵列固定的结构。GAL首次采用了CMOS工艺，使得GAL具有可以反复擦除和改写的功能，彻底克服了熔丝型可编程器件的只能一次可编程问题。在GAL的输出结构上采用输出逻辑宏单元OLMC（OutputLogicMacroCell）电路，而输出逻辑宏单元OLMC设

8、有多种组态，可配置成专用组合输入、专用组合输出、组合输出双向口、寄存器输出、寄存器输出双向口等等，从而为逻辑设计提供了更大的灵活性。2.2CPLD的基本结构CPLD复杂可编程逻辑器件，是在20世纪80年代中期从PAL和GAL器件发展出来的器件，其结构与PAL和GAL器件基本相同，由可编程的与阵列、固定的或阵列、输入处理电路和输出处理电路组成。但是CPLD扩充