数字电子技术_08可编程逻辑器件

第八章第八章可编程逻辑器件可编程逻辑器件第八章可编程逻辑器件目前在数字系统设计中广泛使用的可编程逻辑器件(Prog-rammableLogicDevice，简称PLD)属于LSI中的半用户定制电路。由于PLD具有结构灵活、性能优越、设计简单等特点，因而在不同应用领域中受到广泛重视，是构成数字系统的理想器件。数字系统中常用的大规模集成电路可分为三大类。非用户定制电路(NoncustomdesignIC)全用户定制电路(FullcustomdesignIC)半用户定制电路(SemicustomdesignIC)第八章可编程逻辑器件本章知识要点：☆PLD的基本概念☆低密度可编程逻辑器件☆复杂可编程逻辑器件☆现场可编程门阵列☆在系统编程技术简介第八章可编程逻辑器件8.1PLD概述PLD是20世纪70年代开始发展起来的一种新型大规模集成电路。一片PLD所容纳的逻辑门可达数百、数千甚至更多，其逻辑功能可由用户编程指定。PLD特别适宜于构造小批量生产的系统，或在系统开发研制过程中使用。第八章可编程逻辑器件8.1.1PLD的发展20世纪70年代初期：第一种PLD器件-----可编程只读存储器(PROM)问世。PROM由一个“与”阵列和一个“或”阵列组成，“与”阵列是固定的，“或”阵列是可编程的；20世纪70年代中期：出现了可编程逻辑阵列(PLA)，PLA同样由一个“与”阵列和一个“或”阵列组成,但其“与”阵列和“或”阵列都是可编程的；20世纪70年代末期：出现了可编程阵列逻辑(PAL)。PAL器件的“与”阵列是可编程的，而“或”阵列是固定的,它有多种输出和反馈结构，因而给逻辑设计带来了很大的灵活性。但PAL器件一般采用熔丝工艺，一旦编程后便不能改写。第八章可编程逻辑器件20世纪80年代中期:先后出现了通用阵列逻辑(GAL)、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列(FPGA)等可编程器件。20世纪90年代:产生了在系统编程(ISP)器件。在系统编程是指用户具有在自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复改写的能力。ISP器件为用户提供了传统的PLD技术无法达到的灵活性，使可编程逻辑技术发生第八章可编程逻辑器件8.1.2PLD的基本结构PLD的基本组成为一个“与”阵列和一个“或”阵列。阵列中输入线和输出线的交点通过逻辑元件相连接。这些元件是接通还是断开，可由厂家根据器件的结构特征决定或由用户根据要求编程决定。基本结构如下图所示。I0InP0Pm“与”项O0Or输出“与”阵列“或”阵列在基本结构的基础上，附加一些其他逻辑元件，如输入缓冲器、输出寄存器、内部反馈、输出宏单元等，便可构成各种不同的PLD。第八章可编程逻辑器件8.1.3PLD的电路表示法对于PLD器件，用逻辑电路的一般表示法很难描述其内部电路，这给PLD的生产和应用带来诸多不便。为此，对描述PLD基本结构的有关逻辑符号和规则作出了某些约定。一、与门和或门下图给出了3输入与门的两种表示法。传统表示法(图(a))中与门的3个输入A、B、C在PLD表示法(图(b))中称为3个输入项，而输出D称为“与”项。同样，或门也采用类似方法表示。&DABC(a)&ABCD(b)第八章可编程逻辑器件二、输入缓冲器典型输入缓冲器的PLD表示法如右图所示。它的两个输出B、C是其输入A的原和反（见图中真值表）。1ABCABC111000三、连接方式PLD阵列交叉点上的三种连接方式如图(a)所示。实点“·”表示硬线连接,即固定连接；“×”表示可编程连接；没有“×”和“·”的表示两线不连接。如图(b)中的输出F=A·C。固定连接可编程连接不连接&ABCF(a)(b)第八章可编程逻辑器件四、与门不执行任何功能时的连接表示&&DEFAB1100000000000011111111ABDEF图中，输出为D的与门连接了所有的输入项,其输出方程为方便起见，用标有“×”标记的与门输出来表示所有输入缓冲器输出全部连到某一“与”项的情况，如图中输出E。与上述相反，图中输出F表示无任何输出项与其相连，因此，该“与”项总是处于“浮动”的逻辑“1”。第八章可编程逻辑器件根据PLD中阵列和输出结构的不同，目前常用的PLD有4●可编程只读存储器PROM●可编程逻辑阵列PLA●可编程阵列逻辑PAL●通用阵列逻辑GAL8.2低密度可编程逻辑器件第八章可编程逻辑器件8.2.1可编程只读存储器PROM一、半导体存储器的分类存储器(Memory)是数字计算机和其他数字系统中存放信息的重要部件。随着大规模集成电路的发展，半导体存储器因其具有集成度高、速度快、功耗小、价格低等优点而被广泛应用于各种数字系统中。半导体存储器按功能可分为两大类。随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)第八章可编程逻辑器件1．随机存取存储器RAMRAM是一种既可读又可写的存储器，故又称为读写存储器。根据制造工艺的不同，RAM又可分为双极型和MOS型两种类型。MOS型RAM又可进一步分为静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)两种，相比之下DRAM的集成度更高。RAM的优点是读写方便，使用灵活；缺点是一旦断电，所存储的信息便会丢失，它属于易失性存储器。双极型RAM：工作速度高，但成本高、功耗大、集成度低，主要用作高速小容量存储器。MOS型RAM：功耗小、集成度高、成本低，但速度比双极型RAM低,适宜于构造大容量存储器。第八章可编程逻辑器件2．只读存储器ROM只读存储器ROM是一种在正常工作时只能读出、不能写入的存储器。通常用来存放那些固定不变的信息。只读存储器存入数据的过程通常称为编程。只读存储器ROM属于非易失性存储器，即使切断电源，ROM中的信息也不会丢失，因而在数字系统中获得广泛应用。根据编程方法的不同，可分为两类。掩膜编程ROM（简称MROM）：存放的内容是由生产厂家在芯片制造时利用掩膜技术写入的。优点是可靠性高，集成度高，批量生产时价格便宜；缺点是用户不能重写或改写，不灵活。用户可编程ROM（简称PROM）：存放的内容是由用户根据需要在编程设备上写入的。优点是使用灵活方便，适宜于用来实现各种逻辑功能。第八章可编程逻辑器件二、可编程ROM的结构与类型1．PROM的逻辑结构PROM的结构框图如下图所示，它主要由地址译码器和存储体两大部分组成。地址译码器存储体W0W1W2n-1A0An-1D0D1Dm-1第八章可编程逻辑器件图中，A0～An-1为地址输入线；W0～W2n-1为地址译码输出线，又称为字线；D0～Dm-1为数据输出线，又称为位线。通常，将一个n位地址输入和m位数据输出的PROM的存储容量表示为2n×m(位)，意味着存储体中有2n×m个存储元，每个存储元的状态代表一位二进制代码。地址译码器存储体W0W1W2n-1A0An-1D0D1Dm-1第八章可编程逻辑器件存储体的结构示意图如下：0,01,00,11,1W0W12n-1,02n-1,1W2n-1D0D10,m-11,m-12n-1,m-1Dm-1存储元第八章可编程逻辑器件从逻辑器件的角度理解，PROM是由一个固定连接的与门阵列和一个可编程连接的或门阵列所构成的组合逻辑电路。例如，一个8×3(8与门×3或门)PROM的逻辑结构图如下。&&&&&&&&m0m1m2m3m4m5m6m7≥1≥1≥1D2D1D0111ABC第八章可编程逻辑器件为了PROM设计的方便，通常将逻辑结构图简化为阵列逻辑图，简称阵列图。画阵列图时，将PROM中的每个与门和或门都简化成一根线。上图的阵列逻辑图如下图所示。图中虚线上面6根水平线分别表示输入线A、、B、、C、。与门阵列的8根垂直线代表8个与门，或门阵列中标有D2、D1、D0的3根水平线表示3个或门。ABC“或”阵列D2D1D0“与”阵列m0m1m2m3m4m5m6m7第八章可编程逻辑器件2．PROM的类型根据存储元电路构造的不同，PROM有3种常用的类型。(1)一次编程的ROM(PROM)所有存储元均被加工成同一状态“0”(或“1”)，用户可通过编程将某些存储元的状态改变成另一状态“1”(或“0”)。这种编程只能进行一次，一旦编程完毕，其内容便不能再改变。PROM与固定ROM相比，增加了灵活性。但因其可靠性较差，加之只能一次性编程，故目前很少使用。第八章可编程逻辑器件(2)可抹可编程ROM(EPROM)EPROM不仅可由用户编程存放指定的信息，而且可由用户通过专用的紫外线灯照射芯片上的受光窗口，将原存储内容抹去，再写入新的内容。这一特性是由EPROM中存储元的电路结构决定的。(3)电可抹可编程ROM(EEPROM)EEPROM的结构与EPROM相似，但EEPROM在浮栅上增加了一个遂道二极管，编程时可使电荷通过它流向浮栅，而擦除时可使电荷通过它流走，即擦除和编程均用电完成。这种器件不仅工作电流小、擦除速度快,而且允许改写的次数大大高于EPROM,一般允许改写100次～1000次。目前，EPROM和EEPROM的应用均十分广泛。第八章可编程逻辑器件三、PROM应用举例由于PROM是由一个固定连接的“与”阵列和一个可编程连接的“或”阵列组成，所以，用户只要改变“或”阵列上连接点的数量和位置，就可以在输出端形成由输入变量“最小项之和”表示的任何一种逻辑函数。采用PROM进行逻辑设计时，只需首先根据逻辑要求列出真值表，把真值表的输入作为PROM的输入，然后根据逻辑函数值确定对PROM“或”阵列进行编程的代码，画出相应的阵列图即可。第八章可编程逻辑器件例用PROM设计一个代码转换电路，将4位二进制码转换为Gray码。解设4位二进制码为B3、B2、B1、B0，4位Gray码为G3、G2、G1、G0，其真值表如下表所示。二进制码B3B2B1B0G3G2G1G0B3B2B1B0G3G2G1G0Gray码二进制码Gray码00000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000第八章可编程逻辑器件将4位二进制码作为PROM的输入，Gray码作为PROM的输出，可选容量为24×4的PROM实现给定功能。根据真值表可画出该电路的阵列图如下图所示。G0G1G2G3“或”阵列“与”阵列B0B1B2B3m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15注:图中标“×”处代表“1”,否则代表“0”。第八章可编程逻辑器件8.2.2可编程逻辑阵列PLAPLA是一种“与”阵列和“或”阵列均可编程的逻辑器件，即可编程逻辑阵列PLA(ProgrammableLogicArray)。PLA可分为组合PLA和时序PLA两种类型。一、组合PLA1．组合PLA的逻辑结构逻辑结构:由一个“与”阵列和一个“或”阵列构成,“与”阵列和“或”阵列都是可编程的。第八章可编程逻辑器件一个具有3个输入变量、可提供6个“与”项、产生3个输出函数的PLA逻辑结构图及其相应阵列图如下图所示。111ABC&&&&&&≥1≥1≥1Q2Q1Q0Q2Q1Q0ABC“与”阵列“或”阵列第八章可编程逻辑器件PLA的存储容量用输入变量数(n)、与项数(p)、输出端数(m)来表示。前面所示PLA的容量为3—6—3。目前常见的有容量为16—48—8和14—96—8等PLA器件。2．应用举例采用PLA进行逻辑设计，可以十分有效地实现各种逻辑功能。相对PROM而言，PLA更灵活、更经济、结构更简单。用PLA设计组合逻辑电路时，一般分为两步：●将给定问题的逻辑函数按多输出逻辑函数的化简方法简化成最简“与-或”表达式；●根据最简表达式中的不同“与项”以及各函数最简“与-或”表达式确定“与”阵列和“或”阵列，并画出阵列逻辑图。第八章可编程逻辑器件例用PLA设计一个代码转换电路，将一位十进制数的8421码转换成余3码。解设ABCD-