数电第八章.

[题8.1][题8.3]第八章数字电路作业：2数字电路§8.1可编程逻辑器件概述§8.2可编程逻辑阵列PLA§8.3可编程阵列逻辑PAL§8.4通用阵列逻辑GAL§8.5现场可编程门阵列FPGA第八章可编程逻辑器件3数字电路§8.1可编程逻辑器件概述PLD基本概念通用集成电路（如74系列）构成电路，当规模增大时，焊点多，可靠性下降、成本升高、功耗增加系统放在一个芯片内—专用集成电路（简称ASIC），用量小，成本高可编程逻辑器件（PLD），按通用集成电路生产，用户可编程，集成度高，满足一般电路要求PLD是70年代发展起来的逻辑器件，常用的有ROM、PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD和FPGA等4数字电路§8.1可编程逻辑器件概述基本结构5数字电路§8.1可编程逻辑器件概述PLD的逻辑符号表示方法PLD具有较大的与或阵列，逻辑图的画法与传统的画法有所不同输入输出表示方法与门和或门的表示方法6数字电路输入全编程，输出为0与门中画叉，E=D乘积项与输入信号没有接通，与门输出为1§8.1可编程逻辑器件概述三种特殊表示7数字电路§8.1可编程逻辑器件概述PLD的分类PLD基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类与固定、或编程：ROM和PROM与或全编程：PLA与编程、或固定：PAL、GAL和HDPLD8数字电路用可编程逻辑器件来设计电路需要相应的开发软件平台和编程器，可编程逻辑器件开发软件和相应的编程器多种多样对于一些较高级的软件平台，系统除了方案设计和输入电路外，其它功能都可用编程软件自动完成用PLD实现逻辑电路的方法与过程§8.1可编程逻辑器件概述电路方设案计设计输入优化电路选择器件编程器时件序功检能查9数字电路§8.2可编程逻辑阵列PLAPLA结构与应用与阵列和或阵列都可编程的PLD10数字电路§8.2可编程逻辑阵列PLA用PLA实现四位自然二进制码转换成四位格雷码01010121212323233BBBBGBBBBGBBBBGBG实现任意组合逻辑函数用PROM实现11数字电路PROM是与阵列固定、或阵列可编程，而PLA是与和或阵列全可编程PROM与阵列是全译码的形式，而PLA是根据需要产生乘积项，从而减小了阵列的规模PROM实现的逻辑函数采用最小项表达式来描述；而用PLA实现逻辑函数时，运用简化后的最简与或式，即由与阵列构成乘积项，根据逻辑函数由或阵列实现相应乘积项的或运算在PLA中，对多输入、多输出的逻辑函数可以利用公共的与项，因而，提高了阵列的利用率§8.2可编程逻辑阵列PLA12数字电路实现时序逻辑电路§8.2可编程逻辑阵列PLA13数字电路§8.3可编程阵列逻辑PALPAL的基本结构PAL的应用14数字电路PAL的基本结构§8.3可编程阵列逻辑PALPAL由可编程的与阵列、固定的或阵列以及输出电路三部分组成PAL器件的输入、输出结构以及输入、输出的数目是由集成电路制造商确定的，有多种型号15数字电路§8.3可编程阵列逻辑PAL典型输出结构专用输出结构16数字电路§8.3可编程阵列逻辑PAL可编程I/O输出结构带异或门输出结构17数字电路§8.3可编程阵列逻辑PAL寄存器型输出结构18数字电路§8.3可编程阵列逻辑PAL带异或门的寄存器型输出结构19数字电路§8.3可编程阵列逻辑PAL运算选通反馈结构20数字电路PAL的应用有些PAL器件是由数个同一结构类型组成，有的则是由不同类型结构混合组成如由8个寄存器型输出结构组成的PAL器件命名为PAL16R8，由8个可编程I/O结构组成的PAL器件则命名为PAL16L8应用PAL16L8设计组合逻辑电路，主要步骤是将输出和激励写成最简与或表达式，然后确定PAL16L8的引脚和编程目前能够支持PAL的编程软件已相当成熟，芯片应用也很普及，但是由于其集成密度不高、编程不够灵活，且只能一次编程，很难胜任功能较复杂的电路与系统§8.3可编程阵列逻辑PAL21数字电路用PAL设计一个四位循环码计数器，可置零§8.3可编程阵列逻辑PALPAL中状态转换表（注意Q与输出Y为取非关系）012031313QQQQQQQQn013120212QQQQQQQQn0230230111QQQQQQQQQn12312312312310QQQQQQQQQQQQQnRQQQQQQQD01203133RQQQQQQQD01312022RQQQQQQQQD023023011RQQQQQQQQQQQQD12312312312300123QQQQC22数字电路§8.3可编程阵列逻辑PAL用PAL16R4实现012031313QQQQQQQQn013120212QQQQQQQQn0230230111QQQQQQQQQn12312312312310QQQQQQQQQQQQQnRQQQQQQQD01203133RQQQQQQQD01312022RQQQQQQQQD023023011RQQQQQQQQQQQQD12312312312300123QQQQC23数字电路§8.4通用逻辑阵列GAL与PAL相比，GAL的输出结构配置了可以任意组态的输出逻辑宏单元OLMC（OutputLogicMacroCell）24数字电路§8.4通用逻辑阵列GALGAL器件结构和特点GAL器件型号定义和PAL一样根据输入输出的数量来确定，GAL16V8中的16表示阵列的输入端数量，8表示输出端数量，V则表示输出形式可以改变的普通型25数字电路§8.4通用逻辑阵列GALGAL输出逻辑宏单元OLMC的组成输出逻辑宏单元OLMC由或门、异或门、D触发器、多路选择器MUX、时钟控制、使能控制和编程元件等组成26数字电路§8.4通用逻辑阵列GAL输出逻辑宏单元OLMC组态输出逻辑宏单元由对AC1(n)和AC0进行编程决定PTMUX、TSMUX、OMUX和FMUX的输出，共有5种基本组态专用输入组态、专用输出组态、复合输入/输出组态、寄存器组态和寄存器组合I/O组态专用输入组态27数字电路§8.4通用逻辑阵列GAL专用组合输出组态反馈组合输出组态28数字电路§8.4通用逻辑阵列GAL寄存器输出组态29数字电路§8.4通用逻辑阵列GALGAL器件的编程对GAL编程是设计电路的最后一个环节除了对与阵列编程之外，还要对逻辑宏单元进行编程，以达到预定的输出逻辑功能GAL编程的开发系统：软件开发平台和硬件编程设备30数字电路§8.5现场可编程门阵列FPGA前面讨论的可编程逻辑器件基本组成部分是与阵列、或阵列和输出电路，再加上触发器实现时序电路FPGA（FieldProgrammableGateArray）不像前面所介绍的PLD那样受结构的限制，它可以靠门与门的连接来实现任何复杂的逻辑电路，更适合实现多级逻辑功能陆续推出新型的现场可编程门阵列FPGA，具有基本逻辑门电路、传输外部信号的输入/输出电路和可编程内连资源，还具有很高的密度31数字电路§8.5现场可编程门阵列FPGAFPGA的编程单元是基于静态存储器（SRAM）结构，从理论上讲，具有无限次重复编程的能力输入/输出模块I/OB可编程连线PI可配置逻辑模块CLB编程开关矩阵PSM32数字电路§8.5现场可编程门阵列FPGASRAM结构：可以无限次编程，但属于易失性元件，掉电后芯片内信息丢失；通电之后，要为FPGA重新配置逻辑内部连线结构：FPGA的内连线分布在CLB周围，编程的种类和编程点很多，使得布线相当灵活芯片逻辑利用率：FPGA的CLB规模小，可分为多个独立的电路，有丰富的连线，系统综合时可进行充分的优化，达到高的利用率芯片功耗：FPGA芯片功耗0.25mW～5mW，静态时几乎没有功耗33数字电路本章小结可编程逻辑功能的器件包括PROM、PLA、PAL和GAL等PLA主要由“与”阵列、“或”阵列构成，两个阵列都可编程PAL由“与”阵列、“或”阵列和输出电路三部分构成，它的“与”阵列可编程，“或”阵列固定，采用双极型熔丝结构GAL由“与”阵列、“或”阵列和输出逻辑宏单元三部分组成，GAL的输出逻辑宏单元包含的器件、编程点较多，因而GAL相对于PAL器件功能较强。借助于开发的硬件和软件，可以用GAL实现所有中、小规模数字集成器件。因而称它为“通用可编程阵列逻辑”。GAL是采用E2CMOS工艺制造，可多次进行改写，使用方便高密度可编程逻辑器件分为可擦除编程逻辑器件EPLD和现场可编程门阵列FPGA。前者实现组合逻辑函数是从任何组合逻辑电路均可以表示为与或表达式，加上触发器可实现时序电路的原理出发而构成，它具有的特点是高集成度、万次左右的擦写次数、速度高、功耗低、噪声容限较大等优点。后者是从任何逻辑电路均可用门电路构成原理角度出发而构成，它除有前者的各种特点之外，还具有无限次编程的能力。