数字电子技术基础 教学课件 ppt 作者 王友仁 等 第9章 可编程逻辑器件20101201
94页1、1,第九章 可编程逻辑器件,数字电子技术基础,2,第九章 可编程逻辑器件,9.1 概述 9.2 PLA与PAL 9.3 通用阵列逻辑 9.4 复杂可编程逻辑器件CPLD 9.5 现场可编程门阵列FPGA 9.6 可编程逻辑器件的开发应用,3,9.1 概述,可编程逻辑器件的发展过程 可编程逻辑器件的分类,4,可编程逻辑器件的发展过程,最早的可编程逻辑器件 可编程只读存贮器PROM 紫外线可按除只读存贮器EPROM 电可擦除只读存贮器EEPROM 特点: 只能实现简单的逻辑功能 集成度不高,资源利用率低,5,可编程逻辑器件的发展过程,通常意义上的可编程逻辑器件(PLD) PLA(可编程逻辑阵列) PAL(可编程阵列逻辑) GAL(通用阵列逻辑) 特点: 电路结构较为复杂 实现逻辑功能的基本电路:与或阵列 无法满足大规模数字系统设计的要求,只能替代固定功能的逻辑芯片,6,可编程逻辑器件的发展过程,为了弥补PLD缺陷,出现了 CPLD(Complex Programmable Logic Dvice) FPGA (Field Programmable Gate Array)。 特点: 体系结构
2、和逻辑单元灵活 集成度高以及适用范围宽。 兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。,7,可编程逻辑器件的发展过程,PAL/GAL等: 低密度、早期的PLD,在低端数字电路领域仍有大量的应用 主要是替代74系列逻辑器件 GAL器件的供应商主要是Lattice Semiconductor CPLD: 能实现的逻辑功能比PAL /GAL有大幅度提高 主要用于实现中等复杂程度、较高速度的逻辑功能 主要供应商:Altera、Lattice、Xilinx FPGA 高达千万门的集成度 应用与高速、高密度的高端数字系统设计领域 主要供应商: Altera、Lattice、Xilinx、Atmel、Actel,8,按照集成度分类,从集成度上分为 低密度可编程逻辑器件(LDPLD) 高密度可编程逻辑器件(HDPLD) PROM、PLA、PAL和GAL属于低密度可编程逻辑器件。 CPLD和FPGA属于高密度可编程逻辑器件。,9,按照集成度分类,10,按照结构分类,可编程逻辑器件都是从“与-或阵列”和“门阵列”两类基本结构发展起来的,所以又可从结构上将其分为两大类器件 : PLD
3、器件基本结构为与或阵列的器件。PLD主要通过修改具有固定内部电路的逻辑功能来编程。 FPGA器件基本结构为门阵列的器件。FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程。,11,按编程工艺,熔丝编程器件:由可以用电流熔断的熔丝组成。 PROM等 反熔丝编程器件主要通过击穿介质达到连通线路的目的。 Actel的FPGA器件,12,按编程工艺,SRAM大多数公司的FPGA器件 可反复编程,实现系统功能的动态重构 每次上电需重新下载,实际应用时需外挂EEPROM用于保存程序 EEPROM大多数CPLD器件 可反复编程 不用每次上电重新下载,但相对速度慢,功耗较大,13,9.2 PLA与PAL,可编程逻辑器件的基本结构 基本结构 PLD电路的符号表示 PLD器件的编程元件 可编程逻辑阵列PLA 可编程阵列逻辑PAL,14,可编程逻辑器件的基本结构,PLD器件由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等四部分组成,15,可编程逻辑器件的基本结构,任何组合逻辑函数均可化为与或式,用“与门-或门”二级电路实现,而任何时序电路又都是由组合电路加上存储元件(触发器)构成。 例如 由“与或阵列”直接输出就构成组
4、合方式输出 “与或阵列”送入寄存器后输出构成时序方式输出。,16,组成部分的符号表示,17,组成部分的符号表示,18,与或阵列,19,可编程元件,可编程元件有如下四种类型 熔丝(Fuse)开关 反熔丝(Antifuse)开关 浮栅编程元件(EPROM和EEPROM) 基于SRAM的编程元件。,20,可编程元件-熔丝(Fuse)开关,A,B,未烧断熔丝,烧断熔丝,21,熔丝(Fuse)开关,由可以用电流熔断的熔断丝组成 在编程时,需要保持连接的节点保留熔丝,需要去除连接的节点烧掉熔丝 熔丝开关烧断后不能够恢复,只能够编程一次 保证熔丝熔化时产生的金属物质不影响器件的其他部分,熔丝还需要留出极大的保护空间,因此熔丝占用的芯片面积大,22,熔丝(Fuse)开关,位线,字线,23,可编程元件-反熔丝开关,1.2m,场氧化物,多晶硅,介质,扩散层,24,反熔丝(Antifuse)型开关,通过击穿介质来达到连通线路 在未编程时处于开路状态,编程时,在其两端加上编程电压,反熔丝就会由高阻抗变为低阻抗,从而实现两个极间的连通,且编程电压撤除后也一直处于导通状态 反熔丝元件占用的硅片面积小,适宜做集成度
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