第7章可编程逻辑器件概要.ppt

第七章 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(Programmable Logic Device，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本章知识要点 PLD概述 低密度PLD 高密度PLD ISP技术简介,7.1 PLD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7.1.1 PLD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 ISP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7.1.2 PLD的一般结构,PLD的基本组成为一个“与”阵列和一个“或”阵列，每个或门输出都是输入的“与-或”函数一般结构如下：,在基本组成部分的基础上，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PLD8,7.1.3 PLD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输入与门和3输入或门的两种表示法9,二. 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四. 与门不执行任何功能时的连接表示,例如图中，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”根据PLD中阵列和输出结构的不同，常用的低密度PLD有4种主要类型： ● 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7.2 低密度可编程逻辑器件,7.2.1 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1. 随机存取存储器RAM,RAM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2.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二. 可编程ROM的结构,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。

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存储体的结构示意图如下：,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个或门三. PROM的类型,根据存储元电路构造的不同，PROM有如下几种常用的类型1) 一次编程的ROM(PROM) 厂家将所有存储元加工成同一状态“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PROM2) 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”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它流向浮栅，而擦除时可使电荷通过它流走，即擦除和编程均用电完成这种器件不仅工作电流小、擦除速度快，而且允许改写的次数大大高于EPROM，一般允许改写100次～1000次 目前，EPROM和EEPROM的应用均十分广泛4) 快闪存储器(Flash Memory),快闪存储器是新一代用电信号擦除的可编程ROM,它既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，又具有EEPROM用隧道效应擦除的快速性，而且集成度可以很高。

快闪存储器自问世以来，以其集成度高、容量大、成本低和使用方便等优点而备受欢迎，其应用越来越广泛四 . PROM应用举例,由于PROM是由一个固定连接的“与”阵列和一个可编程连接的“或”阵列组成，所以，用户只要改变“或”阵列上连接点的数量和位置，就可以在输出端形成由输入变量“最小项之和”表示的任何一种逻辑函数 采用PROM进行逻辑设计时，只需首先根据逻辑要求列出真值表，把真值表的输入作为PROM的输入，然后根据逻辑函数值确定对PROM“或”阵列进行编程的代码，画出相应的阵列图即可例1 用PROM设计一个代码转换电路，将4位二进制码转换为Gray码解 设4位二进制码为B3、B2、B1、B0，4位Gray码为G3、G2、G1、G0，其真值表如下表所示将4位二进制码作为PROM的输入，Gray码作为PROM的输出，可选容量为24×4的PROM实现给定功能根据真值表可画出该电路的阵列图如下图所示注: 图中标“×” 处代表“1”，否则代表“0”例2 用PROM设计一个Π发生器，其输入为4 位二进制码，输出为8421码该电路串行地产生常数π，取小数点后15位数字，即π=3.141592653589793。

解 根据题意，可用一个4位同步计数器控制PROM的地址输入端，使其地址码按4位二进制码递增的顺序进行周期性地变化，以便对所有存储单元逐个进行访问，存储单元中依次存放π的值，输出则为π的8421码结构框图如下：,PROM的输入输出关系如下表所示：,根据上表可画出π发生器的PROM阵列图如下图所示7.2.2 可编程逻辑阵列PLA,从实现逻辑函数的角度看，对于大多数逻辑函数而言，并不需要使用全部最小项，尤其对于包含约束条件的逻辑函数，许多最小项是不可能出现的由于PROM的“与” 阵列固定地产生n个输入变量的全部最小项因此，PROM的“与”阵列没有获得充分利用，使得芯片面积造成浪费 为了克服PROM的不足，产生了一种“与”阵列和“或”阵列均可编程的逻辑器件，即可编程逻辑阵列PLA(Programmable Logic Array)一. PLA逻辑结构,由一个“与”阵列和一个“或”阵列构成，“与”阵列和“或”阵列都是可编程的一个具有3个输入变量、可提供6个“与”项、产生3个输出函数的PLA逻辑结构图及其相应阵列图如下图所示在PLA中，n个输入变量的“与”阵列通过编程提供需要的P个“与”项，“或”阵列通过编程形成“与-或”函数式。

由PLA实现的函数式是最简“与-或”表达式PLA的存储容量不仅与输入变量个数和输出端个数有关，而且还和它的“与”项数(即与门数)有关，存储容量用输入变量数(n)、与项数(p)、输出端数(m)来表示前面所示PLA的容量为3—6—3目前常见的有容量为16—48—8和14—96—8等PLA器件二. 应用举例,采用PLA进行逻辑设计，可以十分有效地实现各种逻辑功能相对PROM而言，PLA更灵活、更经济、结构更简单 用PLA设计组合逻辑电路时，一般分为两步： ● 将给定问题的逻辑函数按多输出逻辑函数的化简方法简化成最简“与-或”表达式； ● 根据最简表达式中的不同“与项” 以及各函数最简“与-或”表达式 确定“与”阵列和“或”阵列，并画出阵列逻辑图例 用PLA设计一个代码转换电路，将一位十进制数的8421码转换成余3码解 设ABCD------表示8421码，WXYZ-----表示余3码，可列出转换电路的真值表如下表所示根据真值表写出函数表达式，并按照多输出函数化简法则用卡诺图进行化简，可得到最简“与-或”表达式如下：,由此可见，全部输出函数只包含9个不同“与”项，所以，该代码转换电路可用一个容量为4 —9—4的PLA实现，其阵列图如图所示。

7.2.3 可编程阵列逻辑PAL,PAL(Programmable Array Logic)是在PROM和PLA的基础上发展起来的一种可编程逻辑器件它相对于PROM而言，使用更灵活，且易于完成多种逻辑功能，同时又比PLA工艺。