第八章 可编程逻辑器件.pdf
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1、1 University of Science and Technology of China 第八章第八章第八章第八章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件可编程逻辑器件可编程逻辑器件 内容提要内容提要内容提要内容提要 1. 1. 1. 1. 介绍各种可编程逻辑器件的介绍各种可编程逻辑器件的介绍各种可编程逻辑器件的介绍各种可编程逻辑器件的 结构、工作原理和使用方法结构、工作原理和使用方法结构、工作原理和使用方法结构、工作原理和使用方法 2. 2. 2. 2. 可编程逻辑器件的编程方法可编程逻辑器件的编程方法可编程逻辑器件的编程方法可编程逻辑器件的编程方法 和在系统可编程技术的介绍和在系统可编程技术的
2、介绍和在系统可编程技术的介绍和在系统可编程技术的介绍 2 University of Science and Technology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 1 1 1 1集成电路的分类:集成电路的分类: 按集成度分按集成度分: : : : SSISSISSISSI: 器件级(门电路、触发器等)器件级(门电路、触发器等) MSIMSIMSIMSI:部件级(计数器、移位寄存器等)部件级(计数器、移位寄存器等) LSILSILSILSI: 系统级(含控制器的电子系统)系统级(含控制器的电子系统) VLSIVLSIVLSIVLSI:复杂系统级复杂系统级( (
3、大容量大容量MemoryMemoryMemoryMemory、 微处理器等微处理器等) ) 3 University of Science and Technology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 按处理信号分:按处理信号分: 模拟模拟ICICICIC(A/DA/DA/DA/D,D/AD/AD/AD/A,放大,滤波等功能)放大,滤波等功能) 数字数字ICICICIC(组合电路,时序电路,数字系统)组合电路,时序电路,数字系统) 综合性综合性ICICICIC(即数模混合即数模混合, ,SOC, SOC, SOC, SOC, 嵌入式系统等嵌入式系统等) )
4、按通用性、使用量分:按通用性、使用量分: 通用通用IC:IC:IC:IC: 存贮器、微处理器等存贮器、微处理器等 专用专用IC (ASIC)IC (ASIC)IC (ASIC)IC (ASIC): :全定制全定制ASICASICASICASIC、 半定制半定制 ASICASICASICASIC、可编程可编程ASICASICASICASIC 4 University of Science and Technology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 可编程可编程 ASICASICASICASIC SPLDSPLDSPLDSPLD ( ( ( (简单简单PLD)
5、: PALPLD): PALPLD): PALPLD): PAL、GALGALGALGAL、 PALCEPALCEPALCEPALCE等等 CPLDCPLDCPLDCPLD ( ( ( (复杂复杂PLD)PLD)PLD)PLD):ispLsI1000ispLsI1000ispLsI1000ispLsI1000、MACH5MACH5MACH5MACH5 系列、系列、XC9000XC9000XC9000XC9000系列、系列、MAX7000MAX7000MAX7000MAX7000、 MAX9000MAX9000MAX9000MAX9000系列等系列等 FPGAFPGAFPGAFPGA ( ( (
6、 (现场可编程门阵列现场可编程门阵列) ) ) ):XC4000/5000XC4000/5000XC4000/5000XC4000/5000 系列、系列、FLEX8000FLEX8000FLEX8000FLEX8000系列系列 FLEX10KFLEX10KFLEX10KFLEX10K、 FLEX20KFLEX20KFLEX20KFLEX20K系列等系列等 5 University of Science and Technology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 集成度情况:集成度情况: LatticeLatticeLatticeLattice:i ispL
7、SIspLSIspLSIspLSI 6000 6000 6000 6000系列,集成度达到系列,集成度达到25000250002500025000个个 等效等效PLDPLDPLDPLD门门, , 320320320320个宏单元个宏单元 AlteraAlteraAlteraAltera: MAX9000MAX9000MAX9000MAX9000系列系列, , 24000240002400024000个等效个等效PLDPLDPLDPLD门门, , 1024102410241024个宏单元个宏单元 AlteraAlteraAlteraAltera: FLEX10K250 25FLEX10K250
8、25FLEX10K250 25FLEX10K250 25万个等效万个等效PLDPLDPLDPLD门门 XiLinxXiLinxXiLinxXiLinx:两年前推出的:两年前推出的FPGAFPGAFPGAFPGACV1000CV1000CV1000CV1000可达到可达到 100100100100万个等效万个等效PLDPLDPLDPLD门。门。 6 University of Science and Technology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 理论上采用通用型的中小规模理论上采用通用型的中小规模ICICICIC可以组成任可以组成任 何复杂的数字系统何
9、复杂的数字系统, , 但体积大而笨重、功耗但体积大而笨重、功耗 大,可靠性差。大,可靠性差。 为某种专门用途而设计的集成电路叫做专用为某种专门用途而设计的集成电路叫做专用 集成电路,即集成电路,即ASICASICASICASIC,通常把所设计的系统通常把所设计的系统 做成一片大规模集成电路,故体积小、功耗做成一片大规模集成电路,故体积小、功耗 低、重量轻、可靠性高。低、重量轻、可靠性高。 7 University of Science and Technology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 可编程逻辑器件的逻辑功能由用户对器件编可编程逻辑器件的逻辑功能
10、由用户对器件编 程来设定,以前用户在计算机上使用编程软程来设定,以前用户在计算机上使用编程软 件编写逻辑功能,然后通过编程器下载到器件编写逻辑功能,然后通过编程器下载到器 件上。新一代的件上。新一代的在系统可编程器件在系统可编程器件,编程时,编程时 不需要使用专门的编程器,只要将计算机运不需要使用专门的编程器,只要将计算机运 行产生的编程数据直接写入行产生的编程数据直接写入PLDPLDPLDPLD就行了。这就行了。这 样就使普通的用户设计复杂的系统成为现实样就使普通的用户设计复杂的系统成为现实 (以前是不可能的)。(以前是不可能的)。 8 University of Science and T
11、echnology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 2 2 2 2PLDPLDPLDPLD的电路表示法的电路表示法 (1 1)基本门电路的基本门电路的PLDPLDPLDPLD表示法表示法: 1 1)固定连接、不可改变的)固定连接、不可改变的“ “ “ “硬线连接单元硬线连接单元” ” ” ” 2 2)可通过编程接通的)可通过编程接通的“ “ “ “被编程接通单元被编程接通单元” ” ” ” 3 3)可通过编程断开的)可通过编程断开的“ “ “ “被编程擦除单元被编程擦除单元” ” ” ” 4 4)互补输出的)互补输出的缓冲器缓冲器, ,见图见图8.1.1(d
12、)8.1.1(d)8.1.1(d)8.1.1(d)。 5 5)三态输出的缓冲器,见图三态输出的缓冲器,见图8.1.1(e)8.1.1(e)8.1.1(e)8.1.1(e)。 6 6 6 6)与门的)与门的PLDPLDPLDPLD表示,详见图表示,详见图8.1.1(a), 8.1.1(a), 8.1.1(a), 8.1.1(a), A A A A、B B B B、C C C C、D D D D称称 为输入项为输入项 , P, P, P, PABD ABD ABD ABD 称为乘积项。图称为乘积项。图8.1.1(b)8.1.1(b)8.1.1(b)8.1.1(b)中中P=0P=0P=0P=0 9
13、University of Science and Technology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 7 7 7 7)或门的或门的PLDPLDPLDPLD表示表示 详见图详见图8.1.1(c), Y=P8.1.1(c), Y=P8.1.1(c), Y=P8.1.1(c), Y=P1 1 1 1+P+P+P+P3 3 3 3+P+P+P+P4 4 4 4 8 8 8 8)与阵列、或阵列的与阵列、或阵列的PLDPLDPLDPLD表示表示 如图如图8.2.18.2.1所示。所示。 (2 2)PLDPLDPLDPLD由两种基本的门阵列由两种基本的门阵列与门阵列与
14、门阵列 和或门阵列以及相关器件组成,如图和或门阵列以及相关器件组成,如图8.2.18.2.1 所示。所示。 10 University of Science and Technology of China 8.1 8.1 8.1 8.1 概述概述概述概述 图图图图图图图图8.1.1 PLD8.1.1 PLD8.1.1 PLD8.1.1 PLD8.1.1 PLD8.1.1 PLD8.1.1 PLD8.1.1 PLD电路中门电路的惯用画法电路中门电路的惯用画法电路中门电路的惯用画法电路中门电路的惯用画法电路中门电路的惯用画法电路中门电路的惯用画法电路中门电路的惯用画法电路中门电路的惯用画法 (a
15、a a a a a a a)与与门门门门门门门门 (b b b b b b b b)输出恒等于输出恒等于输出恒等于输出恒等于输出恒等于输出恒等于输出恒等于输出恒等于0 0 0 0 0 0 0 0的的的的的的的的与与门门门门门门门门 (c c c c c c c c)或或门门门门门门门门 (d d d d d d d d)互补输出的缓冲器互补输出的缓冲器互补输出的缓冲器互补输出的缓冲器互补输出的缓冲器互补输出的缓冲器互补输出的缓冲器互补输出的缓冲器 (e e e e e e e e)三态输出的缓冲器三态输出的缓冲器三态输出的缓冲器三态输出的缓冲器三态输出的缓冲器三态输出的缓冲器三态输出的缓冲器三
16、态输出的缓冲器 11 University of Science and Technology of China * * * *8.2 8.2 8.2 8.2 现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列( ( ( (FPLAFPLAFPLAFPLA) FPLAFPLAFPLAFPLA由可编程的与逻辑阵列和可编程的由可编程的与逻辑阵列和可编程的 或逻辑阵列以及输出缓冲器组成。或逻辑阵列以及输出缓冲器组成。如图如图8.2.18.2.18.2.18.2.1所所 示。图中的与逻辑阵列最多可以产生示。图中的与逻辑阵列最多可以产生8 8 8 8个可编个可编 程的乘积项,或逻辑
17、阵列最多能产生程的乘积项,或逻辑阵列最多能产生4 4 4 4个组合个组合 逻辑函数。时序逻辑型逻辑函数。时序逻辑型FPLAFPLAFPLAFPLA见图见图8.2.38.2.38.2.38.2.3。 12 University of Science and Technology of China * * * *8.2 8.2 8.2 8.2 现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列( ( ( (FPLAFPLAFPLAFPLA) 图图图图图图图图8.2.1 FPLA8.2.1 FPLA8.2.1 FPLA8.2.1 FPLA8.2.1 FPLA8.2.1 FPLA
18、8.2.1 FPLA8.2.1 FPLA的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构 可产生可产生8 8个个 可编程的可编程的 乘积项乘积项 可产生可产生4 4 4 4 个组合函个组合函 数数( ( ( (即即4 4 4 4个个 与或式与或式) ) ) ) 13 University of Science and Technology of China * * * *8.2 8.2 8.2 8.2 现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列( ( ( (FPLAFPLAFPLAFPLA) 图图图图
19、图图图图8.2.3 8.2.3 8.2.3 8.2.3 8.2.3 8.2.3 8.2.3 8.2.3 时序逻辑型时序逻辑型时序逻辑型时序逻辑型时序逻辑型时序逻辑型时序逻辑型时序逻辑型 FPLAFPLAFPLAFPLAFPLAFPLAFPLAFPLA的电路结构的电路结构的电路结构的电路结构的电路结构的电路结构的电路结构的电路结构 14 University of Science and Technology of China 8.3 8.3 8.3 8.3 可编程阵列逻辑(可编程阵列逻辑(可编程阵列逻辑(可编程阵列逻辑(PALPALPALPAL) 采用双极型工艺制作,熔丝编程方式。采用双极型工
20、艺制作,熔丝编程方式。 PALPALPALPAL由可编程的与逻辑阵列、固定的或逻辑由可编程的与逻辑阵列、固定的或逻辑 阵列和输出电路三部分组成。阵列和输出电路三部分组成。通过对与阵列通过对与阵列 编程可以获得不同形式的组合逻辑函数。有编程可以获得不同形式的组合逻辑函数。有 些些PALPALPALPAL器件的输出电路中设置有触发器和从器件的输出电路中设置有触发器和从 触发器输出到与阵列的反馈线,故可利用这触发器输出到与阵列的反馈线,故可利用这 种种PALPALPALPAL器件组成各种时序电路。器件组成各种时序电路。 (392392页)页) 15 University of Science and
21、 Technology of China 8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构 PALPALPALPAL器件中最简单的一种电路结构形式见器件中最简单的一种电路结构形式见 图图8.3.18.3.18.3.18.3.1,它仅包含一个可编程的与逻辑阵列,它仅包含一个可编程的与逻辑阵列 和一个固定的或阵列。和一个固定的或阵列。 编程原理:编程原理:在尚未编程之前,与阵列的所有在尚未编程之前,与阵列的所有 交叉点上均有熔丝接通。编程将有用的熔丝交叉点上均有熔丝接通。编程将有用的熔丝 保留,将无用的熔丝熔断,即得到
22、所需的电保留,将无用的熔丝熔断,即得到所需的电 路。详见路。详见P P P P393 393393393图 图8.3.28.3.28.3.28.3.2例子。例子。 16 University of Science and Technology of China 8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构 图图图图图图图图8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL器件的基本电路结构器件的基本电路结构器件的基本电
23、路结构器件的基本电路结构器件的基本电路结构器件的基本电路结构器件的基本电路结构器件的基本电路结构 17 University of Science and Technology of China 8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL8.3.1 PAL的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构的基本电路结构 图图图图图图图图8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 8.3.2 编程后的编程后的编程后的编程后的编程后的编程后的编程后的编程后的PALPALPALPALPALPALPALPAL电路电路电路电路电路电路电路电路 18 Unive
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