数字电路第8章 可编程逻辑器件

1、第第8章章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件数字电路数字电路 第第8章章第八章第八章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD) (Programmable Logic Device) 8.1 概述概述 *8.2 现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列（FPLA） 8.3 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑（PAL） 8.4 通用阵列逻辑通用阵列逻辑（GAL） 8.5 可擦除的可编程逻辑器件可擦除的可编程逻辑器件（ EPLD ） 8.6 复杂的可编程逻辑器件复杂的可编程逻辑器件（CPLD） 8.7 现场可编程门阵列现场可编程门阵列（FPGA） 8.8 在系统可编程通用数字开关在系统可编程通用数字开关（ispG

2、DS） 8.9 PLD的编程的编程数字电路数字电路 第第8章章8.1 概述概述1、Why？特点：特点：功能简单、固定不变，批量生产、成本低；功能简单、固定不变，批量生产、成本低；每个器件的逻辑规模小；每个器件的逻辑规模小；功耗相对比较大；功耗相对比较大；用其构成的系统布线复杂，占用用其构成的系统布线复杂，占用PCB ( Printed Circuit Board) 板面积大。板面积大。按逻辑功能数字电路可分为按逻辑功能数字电路可分为:（1） 通用型通用型: TTL74系列、系列、CC4000系列等系列等数字电路数字电路 第第8章章为专门限定的产品或应用设计的产品为专门限定的产品或应用设计的产品

3、ASICApplication Specific integrated Circuit专用型比通用型用量少；专用型比通用型用量少；设计、制造的周期较长设计、制造的周期较长;因而设计成本与制造成本都高。因而设计成本与制造成本都高。 特点：特点：（2）专用型：）专用型：数字电路数字电路 第第8章章PLD-Programmable Logic Device通用型逻辑器件；通用型逻辑器件；逻辑功能由用户对器件编程实现；逻辑功能由用户对器件编程实现； 特点：特点：称为称为半定制半定制逻辑器件逻辑器件解决方案：解决方案：数字电路数字电路 第第8章章2、PLD的分类的分类 PALProgrammable A

4、rray Logic GALGeneric Array Logic EPLDErasable PLD CPLDComplex PLD FPGAField Programmable Gate ArraySPLDHCPLD数字电路数字电路 第第8章章3、PLD的实现的实现 硬件软件硬件软件 硬件硬件计算机、编程器计算机、编程器 软件软件各种编程软件各种编程软件 ispin system Programmable 无需专门的编程器，编程器集成在无需专门的编程器，编程器集成在PLD中，中，可将编程数据直接写入可将编程数据直接写入PLD。数字电路数字电路 第第8章章4、常用器件画法、常用器件画法互补输出

5、缓冲器互补输出缓冲器AAA固定连接固定连接 编程连接编程连接被擦除被擦除数字电路数字电路 第第8章章与逻辑与逻辑 或逻辑或逻辑数字电路数字电路 第第8章章恒恒0输出与门输出与门 三态输出缓冲器三态输出缓冲器数字电路数字电路 第第8章章*8.2 现场可编程逻辑阵列（现场可编程逻辑阵列（FPLA）1、基本电路结构、基本电路结构可编程与逻辑阵列可编程与逻辑阵列可编程或逻辑阵列可编程或逻辑阵列输出缓冲器输出缓冲器数字电路数字电路 第第8章章1、基本电路结构、基本电路结构ROM与输出译出所有与输出译出所有最小项最小项FPLA与输出译出不多与输出译出不多FPLA比比ROM更合理更合理数字电路数字电路 第第

6、8章章2、规格、规格484输入变量数输入变量数与输出个数与输出个数或输出端个数或输出端个数例：例：82S00规格：规格：16488数字电路数字电路 第第8章章8.3 可编程阵列逻辑（可编程阵列逻辑（PAL） 8.3.1 PAL的基本电路结构的基本电路结构 8.3.2 PAL的几种输出电路结构和反馈形式的几种输出电路结构和反馈形式 8.3.3 PAL的应用举例的应用举例（*）数字电路数字电路 第第8章章8.3.1 PAL的基本电路结构的基本电路结构可编程可编程与阵列与阵列固定的固定的或阵列或阵列数字电路数字电路 第第8章章8.3.1 PAL的基本电路结构的基本电路结构可编程与逻辑阵列可编程与逻辑

7、阵列固定的或逻辑阵列固定的或逻辑阵列输出电路输出电路数字电路数字电路 第第8章章8.3.2 PAL的几种输出电路结构和反馈形式的几种输出电路结构和反馈形式一、专用输出结构一、专用输出结构二、可编程输入二、可编程输入/输出结构输出结构三、寄存器输出结构三、寄存器输出结构四、异或输出结构四、异或输出结构五、运算选通反馈结构五、运算选通反馈结构组合电路组合电路时序电路时序电路数字电路数字电路 第第8章章一、专用输出结构一、专用输出结构 特点：特点：输出端只能当输出端只能当输出端使用输出端使用 输出端：输出端：或门、与非或门、与非门、与或、互补输出门、与或、互补输出数字电路数字电路 第第8章章二、可编

8、程输入二、可编程输入/输出结构输出结构三态输出缓冲器三态输出缓冲器反馈缓冲器反馈缓冲器设计编码器设计编码器译码器译码器 MUX等等特点：特点：应用：应用：数字电路数字电路 第第8章章三、寄存器输出结构三、寄存器输出结构 在可编程输入在可编程输入/输出结构的基础上加了：输出结构的基础上加了：D触发器触发器 共用共用CLK 共用输出使能端共用输出使能端 构成计数器构成计数器 寄存器等寄存器等特点：特点：应用：应用：数字电路数字电路 第第8章章四、异或输出结构四、异或输出结构 在寄存器输出结构的基础上加了：在寄存器输出结构的基础上加了：异或门。异或门。 可使一些时序电路的设计得到简化。可使一些时序电

9、路的设计得到简化。特点：特点：应用：应用：数字电路数字电路 第第8章章五、运算选通反馈结构五、运算选通反馈结构 在异或输出结构的基础上加了在异或输出结构的基础上加了一组运算反馈电路一组运算反馈电路 用于实现加、减、大于、小于等运算用于实现加、减、大于、小于等运算特点：特点：应用：应用：数字电路数字电路 第第8章章产生产生16种种A、B的算术运算的算术运算数字电路数字电路 第第8章章8.3.3 PAL的应用举例的应用举例（*）例例 8.3.1 用用PAL器件设计一个数值判别器件设计一个数值判别电路电路。要求判断。要求判断4位二进制数位二进制数DCBA的大小分的大小分别属于别属于05、610、11

10、15三个区间的哪一三个区间的哪一个之中。个之中。 解：解：以以Y0=1表示表示DCBA的数值在的数值在05之间，之间， 以以Y1 =1表示表示DCBA的数值在的数值在610之间，之间， 以以Y2=1表示表示DCBA的数值在的数值在1115之间，之间， （1）可得到函数真值表如下：）可得到函数真值表如下：数字电路数字电路 第第8章章十进制数十进制数二进制数二进制数 D C B A Y0 Y1 Y20 0 0 0 01 0 01 0 0 0 1 1 0 02 0 0 1 0 1 0 03 0 0 1 11 0 04 0 1 0 01 0 05 0 1 0 11 0 06 0 1 1 0 0 1 0

11、7 0 1 1 10 1 08 1 0 0 00 1 09 1 0 0 10 1 010 1 0 1 00 1 011 1 0 1 10 0 112 1 1 0 00 0 113 1 1 0 10 0 114 1 1 1 0 0 0 115 1 1 1 10 0 1（2）卡诺图化简：）卡诺图化简：012YYYDCDBDCB DCBDCADC DBA（3）选择）选择PAL：4个以上个以上的输入变量的输入变量3个以上个以上的输出变量的输出变量至少有一个或门包含至少有一个或门包含3个乘积项个乘积项选选PAL14H4数字电路数字电路 第第8章章（4）编程）编程数字电路数字电路 第第8章章PAL的缺点：

12、的缺点： 双极型熔丝工艺，一旦编程以后双极型熔丝工艺，一旦编程以后不能修改不能修改 采用采用CMOS可擦除单元的可擦除单元的PAL克服了不可克服了不可修改的缺点，但修改的缺点，但输出结构类型繁多输出结构类型繁多，设计，设计不便。不便。 解决方案：解决方案：GAL数字电路数字电路 第第8章章8.4 通用阵列逻辑（通用阵列逻辑（GAL） 一、电路结构一、电路结构可编程与逻辑阵列可编程与逻辑阵列固定的或逻辑阵列固定的或逻辑阵列可编程输出逻辑宏单元（可编程输出逻辑宏单元（OLMC）数字电路数字电路 第第8章章逻辑宏单元（逻辑宏单元（OLMC） 1、OLMCOutput Logic Macro Cell

13、 2、组成：、组成： 一个或门一个或门 一个一个D触发器触发器 4个个MUX 一些门电路一些门电路 3、功能：、功能： 用一个型号的用一个型号的GAL实现实现PAL所有的输出电路工作模所有的输出电路工作模式，增强了器件的通用性。式，增强了器件的通用性。数字电路数字电路 第第8章章OLMC数据选择器数字电路数字电路 第第8章章8.5 可擦除的可编程逻辑器件（可擦除的可编程逻辑器件（ EPLD ） 1、工艺、工艺采用采用CMOS制作制作 2、电路结构、电路结构与与GAL同同 3、特点：、特点： 低功耗，高噪声容限低功耗，高噪声容限CMOS工艺工艺 集成度高，价格低、可改写集成度高，价格低、可改写U

14、VEPROM工艺工艺 输出为输出为OLMC，同时添加了，同时添加了预置数预置数和和异步置异步置0功能功能 信号传输时间可预测信号传输时间可预测数字电路数字电路 第第8章章8.6 复杂的可编程逻辑器件（复杂的可编程逻辑器件（CPLD）CPLD由由GAL发展而来发展而来,其主体仍其主体仍是与阵列和逻辑宏结构是与阵列和逻辑宏结构分区阵列结构分区阵列结构1、从内部结构来看、从内部结构来看,可分两大类可分两大类:2、采用、采用E2CMOS工艺制作工艺制作数字电路数字电路 第第8章章8.7 现场可编程门阵列（现场可编程门阵列（FPGA）1、FPGA由以下四部分组成由以下四部分组成:（1）可编程逻辑模块）可

15、编程逻辑模块CLB-Configurable其逻辑功能可由用户规定其逻辑功能可由用户规定（2）输入）输入/输出模块输出模块I/OB-Input/output Block它提供了内部逻辑和外部封装之间的接口它提供了内部逻辑和外部封装之间的接口（3）互联资源）互联资源IR-Interconnnect Resource（4）SRAM存放编程数据存放编程数据数字电路数字电路 第第8章章1、FPGA的组成的组成数字电路数字电路 第第8章章2、FPGA的特点的特点: 优点：优点： 集成度高（百万门集成度高（百万门/片片） CMOSSRAM工艺制作工艺制作 内互联资源丰富（金属线、开关矩阵、连接点）内互联资

16、源丰富（金属线、开关矩阵、连接点） 缺点：缺点： 信号的传输延迟时间不确定信号的传输延迟时间不确定 SRAM断电数据丢失，每次开始时要重新装载断电数据丢失，每次开始时要重新装载编程数据。编程数据。数字电路数字电路 第第8章章8.8 在系统可编程通用数字开关在系统可编程通用数字开关（ispGDS） 1、ispGDSIn-System Programmable Generic Digital Switch 2、功能：、功能： 无需专门的编程器，编程器集成在无需专门的编程器，编程器集成在PLD中，可将编中，可将编程数据直接写入程数据直接写入PLD。 3、优点：、优点： 设计简单、方便设计简单、方便 易于调试易于调试数字电路数字电路 第第