第07章可编程逻辑器件

第七章可编程逻辑器件数字电路与逻辑设计北京邮电大学信息与通信工程学院孙文生第七章可编程逻辑器件集成电路的发展:小规模SSI:几十几百门中规模MSI:几百几千门大规模LSI:几千几万门超大规模VLSI:几万门以上标准SSI/MSI器件具有批量大、价格便宜等特点,是传统数字系统设计中使用的主要逻辑器件；缺点是密度低，数字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，系统的可靠性差、功耗大、时延大。四核8线程，集成14.8亿只晶体管(IvyBridge架构)第七章可编程逻辑器件通用集成电路:如RAM专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuits,ASIC)为满足特定功能需求设计和制造；密度高，能大大减少系统的规模和功耗，提高系统的可靠性和工作速度；加密位可实现设计加密。全定制电路：由半导体器件生产商按照电路的要求专门制造。半定制电路：由器件生产商预先做好的单元电路组成，用户可再次编程，有一定通用性。可编程逻辑器件PLD：器件内部集成了大量功能独立的单元和可配置的连线，可借助开发工具对器件进行编程以确定其功能。第七章可编程逻辑器件70年代80年代90年代PROM和PLA器件改进的PLA器件GAL器件FPGA器件EPLD器件CPLD器件内嵌复杂功能模块的SoPCPLD的发展历程第七章可编程逻辑器件C、ASM...程序CPU指令/数据代码：0100101000101100软件程序编译器COMPILERVHDL/VERILOG程序硬件描述语言综合器SYNTHESIZER为ASIC设计提供的电路网表文件（a）软件语言设计目标流程（b）硬件语言设计目标流程编译器和综合功能比较7.1存储器及其在实现可编程逻辑方面的应用存储器用来存放数据,常见的有半导体存储器(ROM、RAM)、光存储器(如CD,DVD)、磁介质存储器(如磁带、磁盘)等.只读存储器(ROM)在正常使用时只能读取，掉电后信息不丢失(非易失性)，一般用于存放固定的数据或程序。ROM通常有：掩膜式ROM、一次可编程ROM(PROM)、紫外光可擦除ROM(U-EPROM)、电可擦除ROM(EEPROM)。7.1.1只读存储器存储器的组成：存储矩阵地址译码器输出缓冲器存储器就象存放货物的仓库，为了便于存取，通常将货物的位置进行编号，并留有存取的通道。位线字线一只读存储器的结构二用ROM实现函数W1W0地址译码器+VDD字线Wi位线DjD3D2D1D0A0A10111101011000011W2W3地址线CMOS-ROM的结构示例存储单元0存储单元1存储单元2存储单元3CS片选D0=W0﹒1+W1﹒0+W2﹒0+W3﹒1D1=W0﹒1+W1﹒1+W2﹒0+W3﹒1D2=W0﹒1+W1﹒0+W2﹒1+W3﹒0D3=W0﹒0+W1﹒1+W2﹒1+W3﹒0输出Di是若干最小项的和可见，用ROM能够实现函数013011012010AAWAAWAAWAAW译码器输出地址最小项二用ROM实现函数ROM可以看成与阵列固定，或阵列可编程的PLD器件。7.1.2只读存储器的种类掩膜只读存储器信息只能读出，不能改写。只能在工厂生产，适合大量生产的定型产品。现场可编程只读存储器(PROM)可在实验室实现一次编程可改写只读存储器UVEPROME2PROMFlashFRAM7.1.2只读存储器的种类1.现场可编程只读存储器(PROM)每个存放数据的结点上有一个熔断丝,出厂时各单元内容均为1,若希望某一单元存放0，只须将该结点对应的熔断丝烧断即可。在半导体电路中加入了金属丝,使生产工艺变得复杂；一旦将内容写错,芯片只能作为化工原料了。7.1.2只读存储器的种类早期EPROM存储单元采用浮栅雪崩注入MOS管(简称FAMOS管)，FAMOS管本身为P沟道增强型MOS管。写入操作：漏源间加-45V高压,发生雪崩击穿,浮栅存储负电荷。擦除操作：用紫外线照射约30分钟,将浮栅上存储的电荷放掉。浮栅为多晶硅2.可改写PROM(ErasablePROM,EPROM)7.1.2只读存储器的种类E2PROM采用浮栅隧道氧化层MOS管(简称Flotox管)作存储单元，Flotox管属于N沟道增强型MOS管，浮置栅与漏区之间由一个极薄的氧化层区域，称为隧道区。当隧道区的电场强度大到一定程度时，便在漏区和浮置栅之间出现导电隧道，这种现象称为隧道效应。3.可电擦除PROM(ElectricalErasablePROM,E2PROM)7.1.2只读存储器的种类闪速存储器Flash采用的叠栅MOS管，隧道区氧化层的厚度为10~15nm，浮栅与源区重叠部分有源区横向扩散形成，面积极小，电容小。SIMOS管隧道区氧化层的厚度为30~40nm。4.闪速存储器(FlashMemory)7.1.2只读存储器的种类5.铁电存储器(FRAM)铁电存贮器的核心技术是铁电晶体材料，其最大特点是可以跟随总线速度无限次写入，而且写入功耗极低。铁电晶体材料置于电场中时，晶阵中的每个自由浮动的中心原子会沿着电场方向运动，从一种稳定状态到达另一种稳定状态。中心原子的稳定状态在电场撤消后可长期保留，常温中可达一百年以上。铁电晶体材料的这一特性特别适用于制作ROM。7.1.2只读存储器的种类7.1.3随机存储器随机存储器(RandomAccessMemory，RAM)在工作时可对任一存储单元读取或写入，也称为随机存取存储器。RAM的逻辑结构静态RAM(StaticRAM，SRAM)，数据写入后可一直保存(不掉电的情况下)。动态RAM(DynamicRAM，DRAM)。数据的保存时间有限，工作中需定时刷新。7.1.3随机存储器7.1.4用存储器实现逻辑处理ROM可以看成一种与阵列固定，或阵列可编程的PLD器件。一存储器实现组合逻辑[例]用ROM实现四位自然二进制码到循环码的转换电路。解：(1)根据题意建立真值表(3)画出ROM阵列图(2)求标准积之和式D0=∑m(1,2,5,6,9,10,13,14)D1=∑m(2,3,4,5,10,11,12,13)D2=∑m(4,5,6,7,8,9,10,11)D3=∑m(8,9,10,11,12,13,14,15)一存储器实现组合逻辑[例]用ROM实现四位自然二进制码与循环码的转换电路。(3)画出ROM阵列图地址译码器与运算阵列m0m2m4m6m8m10m12m14m1m3m5m7m9m11m13m15A3A2A1A0D3D1D0D2存储矩阵或运算阵列实现二进制码与循环码转换的ROM的阵列图可编程逻辑器件中的电路符号地址译码器与运算阵列m0m2m4m6m8m10m12m14m1m3m5m7m9m11m13m15A3A2A1A0D3D1D0D2存储矩阵或运算阵列二存储器实现时序逻辑利用ROM和寄存器可以实现计数器、序列信号发生器等时序逻辑电路。用ROM实现时序电路二存储器实现时序逻辑[例]用ROM和触发器实现8421码加法计数器，计数到状态9时输出1。解：(1)由于是BCD码计数，需要4个触发器；ROM需4条地址线，10个存储单元。(2)求ROM中的存储数据7.2PLA/PAL/GAL可编程只读存储器ROM,PROM,EPROM,E2PROM与阵列固定,或阵列可编程可编程逻辑器件PLD可编程逻辑阵列PLA与、或阵列均可编程可编程阵列逻辑PAL:与阵列可编程,或阵列固定通用阵列逻辑GAL:可编程逻辑宏单元7.2.1可编程逻辑阵列(PLA)可编程逻辑阵列（ProgrammableLogicArray,PLA）PLA的结构特点与/或阵列均可编程实现函数时,只需形成所需的乘积项实现某一逻辑函数采用组合逻辑电路采用数据选择器采用ROM实现采用PLA实现可编程逻辑阵列的应用解:(1)将逻辑函数填入卡诺图,然后按照多输出函数的方法进行化简。F1F2F3F4可编程逻辑阵列的应用(2)最简函数式如下：可编程逻辑阵列的应用(3)根据表达式画出PLA的阵列图：7.2.2可编程阵列逻辑(PAL)可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogic,PAL)PAL的结构特点与阵列可编程,或阵列固定与阵列可根据需要产生乘积项每个输出所分配的乘积项是固定的芯片成本低,编程方便,具有保密位输出结构类型多种多样基本的与-或类型带反馈的与-或类型具有反馈的寄存器类型带有异或门的寄存器类型包含记忆元件的可编程逻辑阵列nnQQA10应用举例例：用PAL实现可控加减法模6计数器7.2.3通用阵列逻辑GALGAL的性能特点与阵列可编程，或阵列固定；采用E2CMOS工艺，可电擦写；具有输出逻辑宏单元，可通过编程选择输出组态；具有加密单元，可有效防止复制，保密性好。7.2.3通用阵列逻辑GAL逻辑宏单元输入/输出口输入端口时钟信号输入三态控制可编程与阵列固定或阵列GAL16V8输出逻辑宏单元OLMC输出逻辑宏单元OLMCOLMC的时序输出工作模式OLMC的组合I/O工作模式CLKOEDQQXOR(n)XOR(n)OLMC有5种工作模式。下图分别为其中的时序输出模式和组合I/O模式。