第一章可编程逻辑器件概述_13

可编程逻辑器件原理与应用可编程逻辑器件原理与应用主讲教师：左明[e-mail]文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn第一章可编程序逻辑器件概述第二章可编程逻辑器件结构及原理第十章可编程逻辑器件的设计方法第四章常用数字部件的设计方法第五章ALTERA系列CPLD第六章Lattice系列CPLD第七章FPGA器件主要内容主要内容可编程逻辑器件原理与应用可编程逻辑器件原理与应用PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn1．《可编程序逻辑器件原理、方法与开发应用指南》国防科技大学出版社曹伟2．《PLD/GAL可编程序逻辑器件原理和应用》学苑出版社应钢等3．《可编程序逻辑器件PAL原理和应用》中国科学技术大学出版社周建民4．《CPLD/FPGA可编程逻辑器件应用与开发》国防工业出版社王道宪5．《标准集成电路数据手册PAL电路》电子工业出版社参考书目：PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn第一章第一章可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述EDA技术发展概况可编程逻辑器件的发展可编程逻辑器件的特点可编程逻辑器件的分类可编程逻辑器件的基本结构PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn§§1.11.1EDA技术发展概况EDA（ElectronicDesignAutomation,电子设计自动化）技术是在20世纪90年代从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术是以计算机科学和微电子技术发展为先导，汇集了计算机图形学、拓扑逻辑学、微电子工艺与结构学和计算数学等多种计算机应用学科最新成果的先进技术，并具体表现为在先进的计算机工作平台上开发出来的一整套电子系统设计的软件工具。从上世纪70年代以来，EDA技术大致经历了三个发展阶段。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn一、CAD阶段(20世纪60年代中期～20世纪80年代初期)这个阶段分别研制了一些单独的软件工具，主要有PCB(PrintedCircuitBoard)布线设计、电路模拟、逻辑模拟及版图的绘制等，从而可以利用计算机将设计人员从大量繁琐、重复的计算和绘图工作中解脱出来。例如，目前常用的PCB布线软件Protel(其前身为TANGO)以及用于电路模拟的SPICE软件和后来产品化的IC版图编辑与设计规则检查系统等软件，都是这个时期的产品。这个时期的软件主要还是针对产品开发分为设计、分析、生产、测试等多个独立的软件包。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn这个时期的软件主要还是针对产品开发分为设计、分析、生产、测试等多个独立的软件包。每个软件只能完成其中的一项工作，但如果通过顺序循环使用这些软件完成设计的全程，还存在两个方面的问题：首先，由于各个软件工具是由不同的公司和专家开发的，只解决一个领域的问题，若将一个软件工具的输出作为另一个软件工具的输入，就需要人工处理，这往往很繁琐，势必会影响到设计速度；第二，对于复杂电子系统的设计，当时的EDA工具尚不能提供系统级的仿真与综合。由于缺乏系统级的设计考虑，常常在产品开发后期才发现设计有错误，此时再进行修改已十分困难。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn二、CAE阶段(20世纪80年代初期～20世纪90年代初期)用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真。随着集成电路的进一步发展（大规模集成电路出现），计算机和可编程逻辑器件（CPLD/FPGA进入商业应用，相应的辅助设计软件投入使用）都得到大的发展，EDA技术进入到计算机辅助设计阶段。EDA工具以逻辑模拟、定时分析、故障仿真、自动布局和布线为核心，重点解决电路设计的功能检测问题。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn各种硬件描述语言的出现、应用和标准化方面的重大进步，为电子设计自动化必须解决的电路建模、标准文档及仿真测试奠定了基础。80年代后期，EDA工具已经可以进行设计描述、综合与优化、设计结果验证等。但具体化的元件图形制约了优化设计，大部分从原理图出发的EDA工具仍然不能适应复杂的电子系统设计要求。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn三、EDA阶段(20世纪90年代以来)硬件发展--20世纪90年代以来，集成电路制作工艺水平已达到深亚微米级，在一个芯片上可集成数百万乃至上千万只晶体管，工作速度可达到Gb/s量级，这为制造出规模更大、速度和信息容量很高的芯片系统提供了基础条件。软件发展—硬件的发展也对EDA系统提出了更高的要求，并大大促进了EDA技术的发展。20世纪90年代以后，主要出现了以高级语言描述、系统仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术，它极大地提高了系统的设计效率，让设计者将更多的精力集中于创造性的方案与概念的构思上。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn设计者从使用硬件转向硬件设计，从单个电子产品的开发转向系统级电子产品的开发，即片上系统设计SoC。EDA工具以系统级设计为核心，包括系统行为级描述与结构综合、系统仿真与测试验证、系统划分与指标分配、系统决策与文件生成等一整套电子系统设计自动化工具。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cnEDA技术的主要内容：1、大规模可编程逻辑器件--CPLD，FPGA，ASIC；2、硬件描述语言--VHDL，Verilog；3、软件开发工具--QuartusII，FoundationSeries，ISE/ISE-WebPACKSeries；4、实验开发系统。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn逻辑器件及其特点逻辑器件：＊可用来实现各种逻辑功能的器件，最基本的逻辑器件关系为“与”、“或”、“非”；＊广为应用的门电路都是逻辑电路，如：–74LS08四２输入或门“或”逻辑–74LS32四２输入与门“与”逻辑＊复杂的逻辑功能器件：ＭＰＵ和ＣＵＰ逻辑器件的特点：＊标准单元器件：市场上的定型产品＊订制器件：按要求特制；芯片面积小、成本高、设计周期长；＊由“标准件”组合成“特定的逻辑功能芯片”是很麻烦的–电路设计－电路板设计－焊接－调试－成品§§1.21.2可编程逻辑器件的发展可编程逻辑器件的发展PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn3输入1输出(3:1)多路转换器选择输入输出ABI1C0I1C1I1C2O1Y0000010110100XX1XXX0XX1XXX0XX1010101例如:布尔方程：O1Y=/B*/A*I1C0+/B*A*I1C1+B*/A*/I1C2多路转换器输入AB输入选择线O1Y输出可编程逻辑器件是由用户通过编程实现所需逻辑功能的数字集成电路。真值表PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn可编程逻辑器件(PLD)的发展进程PLD（ProgrammableLogicDevice）器件的发展经历了以下四个发展阶段：1、可编程只读存储器PROM和可编程逻辑阵列PLA；2、可编程阵列逻辑PAL；3、通用可编程阵列逻辑GAL；4、复杂可编程逻辑器件CPLD和现场可编程门阵列FPGA。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn一、可编程只读存储器PROM最早出现的可编程逻辑器件是1970年制成的PROM，它由全译码的与阵列和可编程的或阵列组成。由于阵列规模大，速度低，因此它的主要用途还是作存储器。PROM（ProgrammableRead-OnlyMemory）－可编程只读存储器，也叫One-TimeProgrammable(OTP)ROM“一次可编程只读存储器”，最主要特征是只允许数据写入一次，如果数据输入错误只能报废。熔丝结构图反熔丝结构图导体介质大电流熔断高压击穿PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cnPROM管的结构原理图熔丝型PROM的存储单元PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn功能类似的有：EPROM--紫外线可擦除只读存储器EEPROM--电可擦除只读存储器使用FAMOS管的存储单元结构和符号浮栅雪崩注入MOS管（FAMOS）PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn叠栅雪崩注入FAMOS管的存储单元PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cnFlotox管的结构和符号E2PROM的存储单元浮栅隧穿氧化层（Flotox）存储器PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cnE2PROM存储单元的三种工作状态（a）读出状态（b）擦除（写1）状态（c）写入（写0）状态PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn可编程逻辑阵列器件PLA(ProgrammableLogicArray，PLA)20世纪70年代中期出现了可编程逻辑阵列器件，它由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，虽然其阵列规模大为减少，提高了芯片的利用率，但由于编程复杂，支持PLA的开发软件有一定难度，因而也没有得到广泛应用。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn二、可编程逻辑阵列器件PAL(ProgrammableArrayLogic，PAL)20世纪70年代末美国MMI(MonolithicMemoriesInc，单片存储器公司)率先推出了可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogic，PAL)器件，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程方式、双极型工艺制造，器件的工作速度很高。由于它的输出结构种类很多，设计很灵活，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn三、可编程逻辑阵列器件GAL(GenericArrayLogic，GAL)20世纪80年代初Lattice公司发明了通用阵列逻辑(GenericArrayLogic，GAL)器件，它在PAL的基础上进一步进行改进，采用了输出逻辑宏单元(OLMC)的形式和E2CMOS工艺结构，因而具有可擦除、可重复编程、数据可长期保存和可重新组合结构等优点。GAL比PAL使用更加灵活，它可以取代大部分中、小规模集成电路和PAL器件，所以在20世纪80年代得到了广泛应用。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn低密度可编程逻辑器件PLDPAL和GAL都属于低密度PLD，其结构简单，设计灵活，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。20世纪80年代末，随着集成电路工艺水平的不断提高，PLD突破了传统的单一结构，向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活，适用范围更宽的方向发展，因而相继出现了各种不同结构的高密度PLD。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn四、现场可编程逻辑器件FPGA(FieldProgrammableGateArray，FPGA)1985年，Xilinx公司首家推出了现场可编程逻辑(FieldProgrammableGateArray，FPGA)器件，它是一种新型的高密度PLD，