数字电路与逻辑设计第八章

1第八章可编程逻辑器件第八章可编程逻辑器件2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(ProgrammableLogicDevice，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)3本章知识要点：☆PLD的基本概念;☆常用PLD及其在逻辑设计中的应用;☆ISP技术简介。第八章可编程逻辑器件48.1PLD概述PLD是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58.1.1PLD的发展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；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；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6第八章可编程逻辑器件80年代中期:通用阵列逻辑(GAL)器件问世。GAL器件采用高速电可擦CMOS工艺，能反复擦除和改写。特别是在结构上采用了“输出逻辑宏单元”电路，使一种型号的GAL器件可以对几十种PAL器件做到全兼容。给逻辑设计者带来了更大的灵活性。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，带来了极大的时间效益和经济效益，使可编程逻辑技术发生了实质性飞跃。PLD的发展和应用，简化了数字系统设计过程、降低了系统的体积和成本、提高了系统的可靠性和保密性。从根本上改变了系统设计方法，使各种逻辑功能的实现变得灵活、方便。78.1.2PLD的基本结构PLD的基本组成为一个“与”阵列和一个“或”阵列。每个输出都是输入的“与-或”函数。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。第八章可编程逻辑器件8PLD“与”阵列的输入为外部输入原变量及在阵列中经过反相后的反变量。它们按所要求的规律连接到各个与门的输入端，并在各与门的输出端产生某些输入变量的“与”项作为“或”阵列的输入，这些“与”项按一定的要求连接到相应或门的输入端，在每个或门的输出端产生输入变量的“与-或”函数表达式。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98.1.3PLD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。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10二.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11四.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，其输出方程为为了方便起见，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表示无任何输入项与其相连，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12根据PLD中阵列和输出结构的不同，常用的低密度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GAL下面对它们的逻辑结构及其在逻辑设计中的应用分别予以介绍。8.2低密度可编程逻辑器件第八章可编程逻辑器件13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)141.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。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。MOS型RAM又可进一步分为静态RAM(SRAM)和动RAM(DRAM)两种，相比之下DRAM的集成度更高。第八章可编程逻辑器件152.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。根据工艺和编程方法的不同，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16二.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。第八章可编程逻辑器件17第八章可编程逻辑器件图中，A0～An-1为地址输入线；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。地址译码器根据输入地址码译出相应字线，使之有选择地去驱动相应存储单元，并通过输出端D0～Dm-1读出该单元中存放的m位代码。容量：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。1-20nWW～18存储体的结构示意图如下：第八章可编程逻辑器件19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。图中，与门阵列构成一个3变量全译码器，即8个与门产生3变量的8个最小项；或门阵列的3个或门用来将相应的最小项相“或”构成3个指定的逻辑函数。第八章可编程逻辑器件20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。第八章可编程逻辑器件212.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。例如，双极型PROM有两种电路结构，一种是熔丝烧断型PROM，另一种是PN结击穿型PROM。第八章可编程逻辑器件22第八章可编程逻辑器件熔丝型存储元电路如下图所示。熔丝型PROM在每个存储元位置制作一个带熔丝的三极管，三极管射极通过一根易熔金属丝接到相应的位线上。用户按字线和位线选择某个存储元后，可根据需要写入的信息，通过施加规定宽度和幅度的脉冲电流，将三极管的熔丝熔断，使该存储元的状态被改变成与原状态相反的状态。熔丝一旦断开，便不可再恢复，因此，编程是一次性的。23第八章可编程逻辑器件结击穿型PROM所有存储元的原始状态均为一对背靠背连接的二极管，如上图(b)所示。处于原始状态的存储元二极管不导通。用户编程时，可根据需要对选中的存储元施加足够大的电流，将其反向二极管击穿，仅剩下一个正向连接的二极管，从而使其正常工作时处于导通状态。由二极管的导通与截止标志存储元中的信息是“1”或“0”。显然，这种编程同样是一次性的。结击穿型存储元电路如下图所示：24第八章可编程逻辑器件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。(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。EPROM的存储元通常采用浮栅雪崩注入MOS电路，简称FAMOS管，或者叠栅雪崩注入MOS电路，简称SIMOS管。FAMOS管的栅极全部被二氧化硅绝缘层包着，没有引出线，如悬浮状，所以称作“浮栅”。25第八章可编程逻辑器件FAMOS有P沟道和N沟道两种结构，P沟道FAMOS管的结构示意图和符号分别如下图（a）、（b）所示。图(c)是用P沟道FAMOS作存储元的电路，一个存储元由一个普通MOS管和一个FAMOS管串接而成。(教材中给出了叠栅雪崩注入MOS电路，即SIMOS管)电路工作原理是怎样的呢?26第八章可编程逻辑器件产品在出厂时，所有FAMOS的浮栅均不带电，FAMOS管处于截止状态。写入信息时，在对应单元的漏极加上足够高的负压，使漏极与衬底之间的PN结击穿，雪崩击穿产生的高能电子穿过SiO2层堆积在浮置栅上，使FAMOS管导通。对应FAMOS管的截止或导通，可使位线上输出的电平为高或低，以表示该存储元存放的信息是“1”或“0”。由于浮栅被绝缘的二氧化硅包着，编程时堆积的电子设有放电回路，故电荷不会消失，信息能够长期保存。如果用紫外线照射FAMOS管，则浮栅上积累的电子将形成光电流而泄放，从而导电沟道消失，管子又恢复截止状态。为了使编程后能进行擦除和重写，在芯片的封装外壳装有透明的石英窗口。对编程好的EPROM要用不透光的胶纸将受光窗口封住，以免信息丢失。27第八章可编程逻辑器件EPROM虽然具有可反复编程的优点而被广泛使用，但EPROM只能整体擦除，不能一个存储单元一个存储单元地独立擦除，而且擦除操作比较麻烦。而EEPROM克服了EPROM的这一不足。(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