第20讲PLD器件及其应用

DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用第20讲课时授课计划课程内容DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用内容:可编程逻辑器件及应用1概述2可编程阵列逻辑PAL3通用阵列逻辑GAL4ROM及其应用目的与要求：了解PLD器件的基本结构、分类、优点；了解PAL常用的5种输出形式；ROM及其应用。重点与难点：重点：PLD器件的基本结构；PAL的结构特点及常用输出形式；ROM及其应用。难点：ROM及其应用。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用课堂讨论：PAL及常用输出形式；ROM的类型及特点。现代教学方法与手段：PowerPoint投影复习（提问）：ROM的结构和容量计算；ROM的应用。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用LSI的类型DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用ASIC全定制半定制（性能上专用，结构上通用）CPLD和FPGA的区别早期的PLD多属于E2PROM或乘积项(ProductTerm)结构。FPGA是指在线可编程逻辑阵列，最早为Xilinx公司推出。多为SRAM框架或查表框架，需外接配置用的EPROM下载。Xilinx将SRAM框架或查表框架，需外接配置用的EPROM下载的PLD称之为FPGA。把Flash、E2PROM框架或乘积项框架的PLD称为CPLD。Altera把自己的PLD产品MAX系列/FLEX/ACEX/APEX系列称为CPLD。由于FLEX/ACEX/APEX系列也是SRAM型，需外接配置用的EPROM下载，很多人把Altera的FLEX/ACEX/APEX系列产品也称为FPGA。本讲所指PLD主要指SPLD。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用•基本结构：与门阵列+或门阵列•与门阵列接收外部输入变量，产生由输入变量组成的与项。•或门阵列接收与门阵列输出的与项，产生用与或表达式表示的逻辑函数。•在基本结构的基础上，增加诸如输入缓冲器、输出寄存器、内部反馈、输出宏单元等，即可构成各种不同类型、不同规模的PLD。PLD器件的基本结构DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用PLD器件的逻辑关系表示输入缓冲电路PLD器件的连接关系表示法DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用未编程的内部结构已编程的内部结构DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用SPLD器件的分类PLD器件按编程部位分类PROM、PAL和GAL只有一种阵列可编程，为半场可编程逻辑器件；而PLA的与阵列和或阵列均可编程，为全场可编程逻辑器件。GAL用输出逻辑宏单元（OLMC）取代了固定输出电路，使用方便、灵活、应用广泛。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用PLD的阵列结构PROM的阵列结构PLA的阵列结构PAL、GAL的阵列结构DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用PLD器件的优点1）.提高了功能的集成度：PLD器件较中小规模集成芯片具有更高的功能集成度，一般来说一片PLD器件可替代4～20片的中小规模集成芯片，而更大规模的PLD（如CPLD、FPGA)一般采用最新的集成电路生产工艺及技术，可达到极大的规模，这些器件的出现降低了电子产品的成本和缩小了电子产品的体积。2）.加快了电子系统的设计速度：一方面由于PLD器件集成度的提高，减小了电子产品设计中的布线时间及器件的安装时间；另一方面由于PLD器件的设计是利用计算机进行辅助设计的，其可以通过计算机的辅助设计软件对设计的电路进行仿真和模拟，减小了传统设计过程中的调试电路的时间，另外由于PLD器件是可擦除和可编程的，故即使设计有问题修改也是很方便的。3）.高性能：由于PLD器件在生产过程中采用了最新的生产工艺及技术，故PLD器件的性能优于一般通用的器件，其速度一般比通用器件速度高一到两个数量级，另外由于器件数量的减少，降低了电路的总功耗。4）.高可靠性：器件数量减少，导致PCB（PrintedCircuitBoard，印刷电路板）的布线、交叉干扰减少，系统运行更可靠。5）.成本低：设计、安装、调试、维修、器件品种库存等方面的成本下降，从而使电子产品的总成本降低，提高了产品的竞争力。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用ROM的一般结构如右图所示，有选择存储位置的地址译码器、存放数据的存储矩阵、提取数据的输出通路。存储单元可由二极管、三极管或场效应管构成，原理图如下。ROM和PROM二极管构成的ROM模型DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用•一次可编程ROM（PROM）器件在出厂时每个单元内容全部为1,如果希望某一单元存放数据0,只须将该结点对应的熔断丝烧断即可。不足：由于在半导体电路中加入了金属丝，使生产工艺变得复杂；由于可编程的部分是由熔断丝构成的，一旦内容写错，其芯片只能报废。•紫外光可擦除ROM（U-EPROM）其明显的特征是在正中间有一个玻璃窗口，该窗口可让紫外光通过，用紫外光照射10～20分钟，内部数据将全部擦除，这时可以再通过编程的方法写入新数据。•电可擦除可编程ROM（EEPROM）擦除和编程均用电完成。只读存储器通常有：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）等几种类型。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用W0W1Wi12nW……D0D1…Db-1…位线输出数据0单元1单元i单元2n-1单元存储体地址输入字线……地址译码器…A0A1An-1………存储容量＝字线数×位线数＝2n×b（位）存储单元地址ROM的结构DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用ROM的工作原理11D3D2D1D0A1A0W0W1W2W3≥1≥1≥1≥1&&&&4×4位ROM地址译码器存储体0100AAmW0111AAmW0122AAmW0133AAmW3103103303013213212020mmmWWWDmmWWDmmmWWWDmmWWD20DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用存储内容地址A1A0字线W0W1W2W3存储内容D3D2D1D00001101110000100001000011011010111000111对于给定的地址，相应一条字线输出高电平，与该字线相连接的或门输出为1，未连接的或门输出为0。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用11D3D2D1D0A1A0W0W1W2W3≥1≥1≥1≥1&&&&地址A1A0字线W0W1W2W3存储内容D3D2D1D00001101110000100001000011011010111000111A1=0A0=0W0=1W1=0W2=0W3=0D3=1D1=1D0=1D2=0DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用地址A1A0字线W0W1W2W3存储内容D3D2D1D0000110111000010000100001101101011100011111D3D2D1D0A1A0W0W1W2W3≥1≥1≥1≥1&&&&A1=0A0=1W0=0W1=1W2=0W3=0D3=0D1=0D0=1D2=1DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用地址A1A0字线W0W1W2W3存储内容D3D2D1D0000110111000010000100001101101011100011111D3D2D1D0A1A0W0W1W2W3≥1≥1≥1≥1&&&&A1=1A0=0W0=0W1=0W2=1W3=0D3=1D1=0D0=0D2=1DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用地址A1A0字线W0W1W2W3存储内容D3D2D1D0000110111000010000100001101101011100011111D3D2D1D0A1A0W0W1W2W3≥1≥1≥1≥1&&&&A1=1A0=1W0=0W1=0W2=0W3=1D3=0D1=1D0=1D2=1DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用A1A1A0A0或门阵列(存储矩阵)与门阵列(地址译码器)Y3Y2Y1Y0m0m1m2m3ROM的简化画法地址译码器产生了输入变量的全部最小项存储体实现了有关最小项的或运算与阵列固定或阵列可编程连接断开DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用PROM的应用PROM可以用来实现任意组合逻辑电路的功能。用PROM进行逻辑设计的一般步骤如下：列出真值表。根据设计要求，确定电路的输入变量和输出函数，并用真值表描述电路输出与输入的逻辑关系。画出阵列图。将电路的输入变量作为PROM的输入，并根据真值表中各变量取值下的函数值对PROM或门阵列进行编程。此前我们实现组合逻辑函数的方法有哪些？DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用)13,12,11,10,9,5,4,3,1,0()15,14,12,9,7,1()15,14,13,12,11,10,7,6()13,8,4,1(4321mYmYmYmY1、用ROM实现组合逻辑函数逻辑表达式真值表或最小项表达式11CBADBCBCAYDCBBCDDABYBCACABYCBAY4321按A、B、C、D排列变量，并将Y1、Y2扩展成为4变量的逻辑函数。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15与门阵列(地址译码器)或门阵列(存储矩阵)Y1Y2Y3Y4AABBCCDD22选择ROM，画阵列图DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用2、用ROM作函数运算表用ROM构成能实现函数y＝x2的运算表电路。例设x的取值范围为0～15的正整数，则对应的是4位二进制正整数，用B＝B3B2B1B0表示。根据y＝x2可算出y的最大值是152＝225，可以用8位二进制数Y＝Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0表示。由此可列出Y＝B2即y＝x2的真值表。DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用输入输出注B3B2B1B0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0十进制数0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111000000000000000100000100000010010001000000011001001001010011000101000000010100010110010001111001100100001010100111000100111000010149162536496481100121144169196225真值表DigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用逻辑表达式)15,13,11,9,7,5,3,1(0)14,10,6,2()13,11,5,3()12,11,9,7,5,4()15,13,11,10,7,6()15,14,11,10,9,8()15,14,13,12(01234567mYYmYmYmYmYmYmYDigitalLogicCircuit第20讲PLD器件及其应用m0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m13m14m15与门阵列(地址译码器)或门阵列(存储矩阵)Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0B3B3B2B2B1B1B0B0阵列图