数字电路逻辑设计第7章

1、 第七章第七章可编程逻辑器件可编程逻辑器件 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(Programmable Logic Device，简称，简称PLD)PLD)属于属于LSILSI中的半用户中的半用户定制电路。由于定制电路。由于PLDPLD具有结构灵活、性能优越、设计简单等特具有结构灵活、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。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。数字系统中常

2、用的大规模集成电路可分为三大类。非定制电路非定制电路(Noncustom design IC)全定制电路全定制电路(Fullcustom design IC)半定制电路半定制电路(Semicustom design IC)本章知识要点本章知识要点 PLDPLD概述概述 低密度低密度PLDPLD 高密度高密度PLDPLD ISP ISP技术简介技术简介7.1 PLD7.1 PLD概述概述 PLDPLD是是7070年代开始发展起来的一种新型大年代开始发展起来的一种新型大规模集成电路。一片规模集成电路。一片PLDPLD所容纳的逻辑门可达数所容纳的逻辑门可达数百、百、 数千甚至更多，其逻辑功能可由用户

3、编程数千甚至更多，其逻辑功能可由用户编程指定。指定。 PLDPLD特别适宜于构造小批量生产的系统，或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。在系统开发研制过程中使用。7.1.1 PLD7.1.1 PLD的发展的发展 7070年代初期年代初期: : 第一种第一种PLDPLD器件器件-可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)(PROM)问世。问世。PROMPROM由一个由一个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列组成，阵列组成，“与与”阵列是固定的，阵列是固定的，“或或”阵列是可编程的；阵列是可编程的； 7070年代中期：年代中期：出现了可编程逻辑阵列出现了可编程逻辑阵列

4、(PLA)(PLA)，PLAPLA同样由一同样由一个个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列组成，但其阵列组成，但其“与与”阵列和阵列和“或或”阵列都是可编程的；阵列都是可编程的； 7070年代末期：年代末期：出现了可编程阵列逻辑出现了可编程阵列逻辑(PAL)(PAL)。PALPAL器件的器件的“与与”阵列是可编程的，而阵列是可编程的，而“或或”阵列是固定的，它有多种输阵列是固定的，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。但出和反馈结构，因而给逻辑设计带来了很大的灵活性。但PALPAL器件器件 一般采用熔丝工艺，一旦编程后便不能改写。一般采用熔丝工艺，一旦编程后便不能改写。

5、 8080年代中期年代中期: : 通用阵列逻辑通用阵列逻辑(GAL)(GAL)器件问世。器件问世。 GALGAL器件采用高速电可擦器件采用高速电可擦CMOSCMOS工艺，能反复擦除和改写。工艺，能反复擦除和改写。特别是在结构上采用了特别是在结构上采用了“输出逻辑宏单元输出逻辑宏单元”电路，使一种型号电路，使一种型号的的GALGAL器件可以对几十种器件可以对几十种PALPAL器件做到全兼容。给逻辑设计者带器件做到全兼容。给逻辑设计者带来了更大的灵活性。来了更大的灵活性。 9090年代年代: : 产生了在系统编程产生了在系统编程(ISP)(ISP)器件。器件。 ISPISP是指用户具有在自己设计的

6、目标系统中或线路板上为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。重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复改写的能力。ISPISP器件器件为用户提供了传统的为用户提供了传统的PLDPLD技术无法达到的灵活性，带来了极大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。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。 PLDPLD的发展和应用，简化了数字系统设计过程、降低了系的发展和应用，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。从根本上改统的体积和成本、提高了系统的可靠性和

7、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。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 PLD7.1.2 PLD的一般结构的一般结构 PLDPLD的基本组成为一个的基本组成为一个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列，每阵列，每个或门输出都是输入的个或门输出都是输入的“与与- -或或”函数。函数。一般结构如下：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

8、各种不同的PLDPLD。87.1.3 PLD7.1.3 PLD的电路表示法的电路表示法 对于对于PLDPLD器件，用逻辑电路的一般表示法很难描述其内部器件，用逻辑电路的一般表示法很难描述其内部电路。为此，对描述电路。为此，对描述PLDPLD基本结构的有关逻辑符号和规则作出基本结构的有关逻辑符号和规则作出了某些约定。了某些约定。一一. . 与门和或门与门和或门 下图给出了下图给出了3 3输入与门和输入与门和3 3输入或门的两种表示法。输入或门的两种表示法。9二二. . 输入缓冲器输入缓冲器 典型输入缓冲器的典型输入缓冲器的PLDPLD表示表示法如右图所示。它的两个输出法如右图所示。它的两个输出B

9、 B、C C是其输入是其输入A A的原和反。的原和反。三三. . 连接方式连接方式 PLDPLD阵列交叉点上的三种连接方式如图阵列交叉点上的三种连接方式如图(a)(a)所示。实点所示。实点“”表示硬线连接，即固定连接；表示硬线连接，即固定连接；“”表示可编程连接；没有表示可编程连接；没有“” 和和“”的表示两线不连接。如图的表示两线不连接。如图(b)(b)中的输出中的输出F=AF=AC C。四四. . 与门不执行任何功能时的连接表示与门不执行任何功能时的连接表示 例如图中，输出为例如图中，输出为D D的与门连接了所有的输入项，其的与门连接了所有的输入项，其输出方程为输出方程为0BBAAD 为了

10、方便起见，用标有为了方便起见，用标有“”标记的与门输出来表示所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有输入缓冲器输出全部连到某一“与与”项的情况，如图中项的情况，如图中输出输出E E。 与上述相反，图中输出与上述相反，图中输出F F表示无任何输入项与其相连，表示无任何输入项与其相连，因此，该因此，该“与与”项总是处于项总是处于“浮动浮动”的逻辑的逻辑“1 1”。 根据根据PLDPLD中阵列和输出结构的不同，常用的低密度中阵列和输出结构的不同，常用的低密度PLDPLD有有4 4种主要类型：种主要类型： 可编程只读存储器可编程只读存储器PROMPROM 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PL

11、APLA 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PALPAL 通用阵列逻辑通用阵列逻辑GALGAL 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。介绍。7.2 7.2 低密度可编程逻辑器件低密度可编程逻辑器件7.2.1 7.2.1 可编程只读存储器可编程只读存储器PROMPROM 一一. . 半导体存储器的分类半导体存储器的分类 存储器存储器(Memory)(Memory)是数字计算机和其他数字系统中存放信息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，半导体存储器因其的重要部件。随着大规模集成电路的发展，半导体存储

12、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。于各种数字系统中。半导体存储器按功能可分为两大类。半导体存储器按功能可分为两大类。 随机存取存储器随机存取存储器RAM(Random Access Memory)RAM(Random Access Memory) 只读存储器只读存储器ROM(Read Only Memory)ROM(Read Only Memory)1. 1. 随机存取存储器随机存取存储器RAMRAM RAMRAM是一种既可读又可写的存储器，故又称为读写存储器。是一种既可读又可写的存储器，故又称为

13、读写存储器。根据制造工艺的不同，根据制造工艺的不同，RAMRAM又可分为双极型和又可分为双极型和MOSMOS型两种类型。型两种类型。 RAMRAM的优点是读写方便，使用灵活；缺点是一旦断电，所的优点是读写方便，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。存储的信息便会丢失，它属于易失性存储器。 双极型双极型RAMRAM：工作速度高，但成本高、功耗大、集成度低，工作速度高，但成本高、功耗大、集成度低， 主要用作高速小容量存储器。主要用作高速小容量存储器。 MOSMOS型型RAMRAM： 功耗小、集成度高、成本低，但速度比双极型功耗小、集成度高、成本低，但速度比双极型 RA

14、MRAM低低, ,适宜于构造大容量存储器。适宜于构造大容量存储器。 MOSMOS型型RAMRAM又可进一步分为静态又可进一步分为静态RAM(SRAM)RAM(SRAM)和动和动RAM(DRAM) RAM(DRAM) 两种，相比之下两种，相比之下DRAMDRAM的集成度更高。的集成度更高。2.2.只读存储器只读存储器ROMROM 只读存储器只读存储器ROMROM是一种在正常工作时只能读出、不能写入的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。据的过程通常称为编程。 只读

15、存储器只读存储器ROMROM属于非易失性存储器，即使切断电源，属于非易失性存储器，即使切断电源，ROMROM中的信息也不会丢失，因而在数字系统中获得广泛应用。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。根据工艺和编程方法的不同，可分为两类。 掩膜编程掩膜编程ROMROM（简称（简称MROMMROM）：）：存放的内容是由生产厂家在芯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，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。批量生产时价格便宜；缺点是用户不能

16、重写或改写，不灵活。 用户可编程用户可编程ROMROM（简称（简称PROMPROM）：）：存放的内容是由用户根据需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。现各种逻辑功能。二二. . 可编程可编程ROMROM的结构的结构PROMPROM的逻辑结构的逻辑结构 PROMPROM的结构框图如下图所示，它主要由地址译码器和存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。储体两大部分组成。 容量：容量：将一个将一个n n位地址输入和位地址输入和m m位数据输出的位数据输出的PROMP

17、ROM的的存储容量表示为存储容量表示为2 2n nm(m(位位) )，意味着存储体中有，意味着存储体中有2 2n nm m个存个存储元，每个存储元的状态代表一位二进制代码。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：存储体的结构示意图如下： 从逻辑器件的角度理解，从逻辑器件的角度理解，PROMPROM是由一个固定连接的与门阵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，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，一个一个8 83(83(8与门与门3 3或门或门)PROM)PROM的逻辑结构图如下。的逻辑结构图如下。 图中，与门

18、阵图中，与门阵列构成一个列构成一个3 3变量变量全译码器，即全译码器，即8 8个个与门产生与门产生3 3变量的变量的8 8个最小项；或门阵个最小项；或门阵列的列的3 3个或门用来个或门用来将相应的最小项相将相应的最小项相“或或”构成构成3 3个指个指定的逻辑函数。定的逻辑函数。 为了为了PROMPROM设计的方便，通常将逻辑结构图简化为设计的方便，通常将逻辑结构图简化为阵列逻辑阵列逻辑图图，简称，简称阵列图阵列图。画阵列图时，将。画阵列图时，将PROMPROM中的每个与门和或门都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。简化成一根线。上图的阵列逻辑图如下图所示。 图中虚线上

19、面图中虚线上面6 6根水平线分别表示输根水平线分别表示输入线入线A A、 、B B、 、C C 、 。与门阵列。与门阵列的的8 8根垂直线代表根垂直线代表8 8个个与门，或门阵列中标与门，或门阵列中标有有D D2 2、D D1 1、D D0 0的的3 3根水根水平线表示平线表示3 3个或门。个或门。ABC三三. PROM. PROM的类型的类型 根据存储元电路构造的不同，根据存储元电路构造的不同，PROMPROM有如下几种常用的类型。有如下几种常用的类型。 (1) (1) 一次编程的一次编程的ROM(PROM)ROM(PROM) 厂家将所有存储元加工成同一状态厂家将所有存储元加工成同一状态“0

20、”(或或“1”)，用户，用户可通过编程将某些存储元的状态改变成另一状态可通过编程将某些存储元的状态改变成另一状态“1”(或或“0”)。这种编程只能进行一次，一旦编程完毕，其内容便。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不能再改变。 例如，双极型例如，双极型PROMPROM有两种电路结构，一种是熔丝烧断有两种电路结构，一种是熔丝烧断型型PROMPROM，另一种是，另一种是PNPN结击穿型结击穿型PROMPROM。 (2) (2) 可抹可编程可抹可编程ROM(EPROM)ROM(EPROM) EPROMEPROM不仅可由用户编程存放指定的信息，而且可由用户不仅可由用户编程存放指定的

21、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。这一特性是由抹去，再写入新的内容。这一特性是由EPROMEPROM中存储元的电路中存储元的电路结构决定的。结构决定的。 EPROMEPROM的存储元通常采用的存储元通常采用浮栅雪崩注入浮栅雪崩注入MOSMOS电路，简称电路，简称FAMOSFAMOS管，管，或者或者叠栅雪崩注入叠栅雪崩注入MOSMOS电路，简称电路，简称SIMOSSIMOS管管。FAMOSFAMOS管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，的栅极全部被二氧化硅绝缘层包着，

22、没有引出线，如悬浮状，所以称作所以称作“浮栅浮栅”。(3) (3) 电可抹可编程电可抹可编程ROM(EEPROM)ROM(EEPROM) EEPROMEEPROM的结构与的结构与EPROMEPROM相似，但相似，但EEPROMEEPROM在浮栅上增加了一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。可使电荷通过它流走，即擦除和编程均用电完成。这种器件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于EPROMEP

23、ROM，一般允许改写，一般允许改写100100次次10001000次次 。目前，。目前，EPROMEPROM和和EEPROMEEPROM的应用均十分广泛。的应用均十分广泛。(4) (4) 快闪存储器快闪存储器(Flash Memory) (Flash Memory) 快闪存储器是新一代用电信号擦除的可编程快闪存储器是新一代用电信号擦除的可编程ROM,ROM,它既吸收了它既吸收了EPROMEPROM结构简单、编程可靠的优点，又具有结构简单、编程可靠的优点，又具有EEPROMEEPROM用隧道效应擦用隧道效应擦除的快速性，而且集成度可以很高。除的快速性，而且集成度可以很高。 快闪存储器自问世以来，

24、以其集成度高、容量大、成本低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。和使用方便等优点而备受欢迎，其应用越来越广泛。 四四 . PROM. PROM应用举例应用举例 由于由于PROMPROM是由一个固定连接的是由一个固定连接的“与与”阵列和一个可编程连阵列和一个可编程连接的接的“或或”阵列组成，所以，用户只要改变阵列组成，所以，用户只要改变“或或”阵列上连接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“最小项之最小项之和和”表示的任何一种逻辑函数。表示的任何一种逻辑函数。 采用采用PRO

25、MPROM进行逻辑设计时，只需首先根据逻辑要求列出真进行逻辑设计时，只需首先根据逻辑要求列出真值表，把真值表的输入作为值表，把真值表的输入作为PROMPROM的输入，然后根据逻辑函数值的输入，然后根据逻辑函数值确定对确定对PROMPROM“或或”阵列进行编程的代码，画出相应的阵列图即阵列进行编程的代码，画出相应的阵列图即可。可。 例例1 1 用用PROMPROM设计一个代码转换电路，将设计一个代码转换电路，将4 4位二进制码转换位二进制码转换为为GrayGray码。码。 解解 设设4 4位二进制码为位二进制码为B B3 3、B B2 2、B B1 1、B B0 0，4 4位位GrayGray码

26、为码为G G3 3、G G2 2、G G1 1、G G0 0，其真值表如下表所示。，其真值表如下表所示。二进制码二进制码B3 B2 B1 B0G3 G2 G1 G0B3 B2 B1 B0G3 G2 G1 G0GrayGray码码二进制码二进制码GrayGray码码0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 00 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 0

27、1 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 0 将将4 4位二进制码作为位二进制码作为PROMPROM的输入，的输入，GrayGray码作为码作为PROMPROM的输出，的输出，可选容量为可选容量为2 24 44 4的的PROMPROM实现给定功能。根据真值表可画出该实现给定功能。根据真值表可画出该电路的阵列图如下图所示。电路的阵列图如下图所示。 注注: : 图中标图中标“” 处代表处代表“1 1”，否则代表，否则代表“0 0”。 例例2 2 用用PROMPROM设计一个设计一个发生器，其输入为发生器，其输入为4 4 位二进制码

28、，位二进制码，输出为输出为84218421码。该电路串行地产生常数码。该电路串行地产生常数，取小数点后，取小数点后1515位数位数字，即字，即=3.141592653589793=3.141592653589793。 解解 根据题意，可用一个根据题意，可用一个4 4位同步计数器控制位同步计数器控制PROMPROM的地址的地址输入端，使其地址码按输入端，使其地址码按4 4位二进制码递增的顺序进行周期性地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，变化，以便对所有存储单元逐个进行访问，存储单元中依次存存储单元中依次存放放的值，输出则为的值，输出则为的的84218421码。

29、码。结构框图如下：结构框图如下：PROMPROM的输入输出关系如下表所示：的输入输出关系如下表所示：计数器状态计数器状态QDQCQBQA8421码码B8B4B2B1计数器状态计数器状态QDQCQBQA8421码码B8B4B2B10 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10 0 1 10 0 0 10 1 0 00 0 0 10 1 0 11 0 0 10 0 1 00 1 1 0314159261 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 1 0 10 0

30、 1 10 1 0 11 0 0 01 0 0 10 1 1 11 0 0 10 0 1 153589793 根据上表可画出根据上表可画出发生器的发生器的PROMPROM阵列图如下图所示。阵列图如下图所示。7.2.2 7.2.2 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLAPLA 从实现逻辑函数的角度看，对于大多数逻辑函数而言，并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，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。由于许多最小项是不可能出现的。由于PROMPROM的的“与与” 阵列固定地阵列固定地产生产生n

31、 n个输入变量的全部最小项。因此，个输入变量的全部最小项。因此，PROMPROM的的“与与”阵列没阵列没有获得充分利用，使得芯片面积造成浪费。有获得充分利用，使得芯片面积造成浪费。 为了克服为了克服PROMPROM的不足，产生了一种的不足，产生了一种“与与”阵列和阵列和“或或”阵阵列均可编程的逻辑器件，即可编程逻辑阵列列均可编程的逻辑器件，即可编程逻辑阵列PLA(Programmable PLA(Programmable Logic Array)Logic Array)。 一一. PLA. PLA逻辑结构逻辑结构 由一个由一个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列构成，阵列构成，“与与”阵列

32、阵列和和“或或”阵列都是可编程的。阵列都是可编程的。 一个具有一个具有3 3个输入变量、可提供个输入变量、可提供6 6个个“与与”项、产生项、产生3 3个输个输出函数的出函数的PLAPLA逻辑结构图及其相应阵列图如下图所示。逻辑结构图及其相应阵列图如下图所示。 在在PLAPLA中，中，n n个输入变量的个输入变量的“与与”阵列通过编程提供需要阵列通过编程提供需要的的P P个个“与与”项，项，“或或”阵列通过编程形成阵列通过编程形成“与与- -或或”函数式。函数式。由由PLAPLA实现的函数式是最简实现的函数式是最简“与与- -或或”表达式。表达式。 PLAPLA的存储容量不仅与输入变量个数和输

33、出端个数有关，而的存储容量不仅与输入变量个数和输出端个数有关，而且还和它的且还和它的“与与”项数项数( (即与门数即与门数) )有关，有关，存储容量用输入变量数存储容量用输入变量数(n)(n)、与项数、与项数(p)(p)、输出端数、输出端数(m)(m)来表示。来表示。 前面所示前面所示PLAPLA的容量为的容量为3 36 63 3。目前常见的有容量为。目前常见的有容量为161648488 8和和141496968 8等等PLAPLA器件。器件。二二. . 应用举例应用举例 采用采用PLAPLA进行逻辑设计，可以十分有效地实现各种逻辑功能。进行逻辑设计，可以十分有效地实现各种逻辑功能。相对相对P

34、ROMPROM而言，而言，PLAPLA更灵活、更经济、结构更简单。更灵活、更经济、结构更简单。 用用PLAPLA设计组合逻辑电路时，一般分为两步：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化成最简最简“与与- -或或”表达式表达式； 根据最简表达式中的不同根据最简表达式中的不同“与项与项” 以及各函数最简以及各函数最简“与与- -或或”表达式表达式 确定确定“与与”阵列和阵列和“或或”阵列，并画出阵列逻辑阵列，并画出阵列逻辑图。图。 例例 用用PLAPLA设计一个代码转换电路，将一位十进制数的设计一个

35、代码转换电路，将一位十进制数的84218421码转换成余码转换成余3 3码。码。 解解 设设ABCD-ABCD-表示表示84218421码，码，WXYZ-WXYZ-表示余表示余3 3码，可码，可列出转换电路的真值表如下表所示。列出转换电路的真值表如下表所示。8421码码A B C D余余3码码W X Y Z8421码码A B C D余余3码码W X Y Z0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 0 01

36、0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 11 0 1 11 1 0 0d d d dd d d dd d d dd d d dd d d dd d d d 根据真值表写出函数表达式，并按照多输出函数化简法则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，可得到最简用卡诺图进行化简，可得到最简“与与- -或或”表达式如下：表达式如下：DZDCCDYDCBDBCBXBDBCAW 由此可见，全部输由此可见，全部输出函数只包含出函数只包含9 9个不同个不同“与与”项，所以，该代项，所以，该代码转换电路可用一个容码转换电路可用一个容

37、量为量为4 4 9 94 4的的PLAPLA实现，实现，其阵列图如图所示。其阵列图如图所示。7.2.3 7.2.3 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PALPAL PAL(Programmable Array Logic)PAL(Programmable Array Logic)是在是在PROMPROM和和PLAPLA的基础上发展起来的一种可编程逻辑器件。它相对于的基础上发展起来的一种可编程逻辑器件。它相对于PROMPROM而言，使用更灵活，且易于完成多种逻辑功能，而言，使用更灵活，且易于完成多种逻辑功能，同时又比同时又比PLAPLA工艺简单，易于实现。工艺简单，易于实现。 PALPAL由由一个可编

38、程的一个可编程的“与与”阵列和一个固定连接的阵列和一个固定连接的“或或”阵列组成。阵列组成。图图 (a)(a)给出了一个三给出了一个三 输入三输出输入三输出PALPAL的逻辑结构图，的逻辑结构图，通常将其表示成图通常将其表示成图 (b)(b)所示形式。所示形式。一一. PAL. PAL的逻辑结构的逻辑结构 PALPAL每个输出包含的每个输出包含的“与与”项数目是由固定连接的项数目是由固定连接的“或或”阵列提供的。一般阵列提供的。一般PALPAL器件可为每个输出提供器件可为每个输出提供8 8个个“与与”项，使项，使用这种器件能很好地完成各种常用逻辑电路的设计。用这种器件能很好地完成各种常用逻辑电

39、路的设计。 PALPAL器件的结构器件的结构( (包括输入、输出、包括输入、输出、“与与”项数目项数目) )是由生是由生产厂家固定的。产厂家固定的。 从从PALPAL问世至今，大约已生产出几十种不同的产品，按其问世至今，大约已生产出几十种不同的产品，按其输出和反馈结构，输出和反馈结构，大致可将其分为大致可将其分为5 5种基本类型。种基本类型。(1) (1) 专用输出的基本门阵列结构专用输出的基本门阵列结构 这种结构类型适用于实现组合逻辑函数。典型产品有这种结构类型适用于实现组合逻辑函数。典型产品有PAL10H8PAL10H8(10(10个输入，个输入，8 8个输出，输出高电平有效个输出，输出高

40、电平有效) )，PAL12L6PAL12L6(12(12个输入，个输入，6 6个输出，输出低电平有效个输出，输出低电平有效) )等。等。二二. PAL. PAL的基本类型的基本类型 (2) (2) 带反馈的可编程带反馈的可编程I/OI/O结构结构 带反馈的可编程带反馈的可编程I/OI/O结构，通常又称为异步可编程结构，通常又称为异步可编程I/OI/O结构。该类结构。该类PALPAL器件典型产品有器件典型产品有PAL16L8PAL16L8(10 (10 个输入，个输入，8 8个输出，个输出，6 6个反馈输入个反馈输入) )以及以及PAL20L10PAL20L10(12(12个输入，个输入，101

41、0个个输出，输出，8 8个反馈输入个反馈输入) )。(3) (3) 带反馈的寄存器输出结构带反馈的寄存器输出结构 带反馈的寄存器输出结构使带反馈的寄存器输出结构使PALPAL构成了典型的时序网构成了典型的时序网络结构。该类器件的典型产品有络结构。该类器件的典型产品有PAL16R8PAL16R8(8(8个输入、个输入、8 8个个寄存器输出、寄存器输出、8 8个反馈输入、个反馈输入、1 1个公共时钟和个公共时钟和1 1个公共选个公共选通通) )。 (4) (4) 加加“异或异或”、带反馈的寄存器输出结构、带反馈的寄存器输出结构 这种结构是在带反馈寄存器输出结构的基础上增加了这种结构是在带反馈寄存器

42、输出结构的基础上增加了一个异或门，该类电路的典型产品有一个异或门，该类电路的典型产品有PAL16RP8 PAL16RP8 (8(8个输入，个输入，8 8个寄存器输出，个寄存器输出，8 8个反馈输入个反馈输入) )。(5) (5) 算术选通反馈结构算术选通反馈结构 算术算术PALPAL是在综合前几种是在综合前几种PALPAL结构特点的基础上，增加结构特点的基础上，增加了反馈选通电路，使之能实现多种算术运算功能。算术了反馈选通电路，使之能实现多种算术运算功能。算术PALPAL的典型产品有的典型产品有PAL16A4PAL16A4(8(8个输入、个输入、4 4个寄存器输出、个寄存器输出、4 4个个可编

43、程可编程I/OI/O输出、输出、4 4个反馈输入、个反馈输入、4 4个算术选通反馈输入个算术选通反馈输入) )。7.2.4 7.2.4 通用阵列逻辑通用阵列逻辑GALGAL GAL(Generic Array Logic)GAL(Generic Array Logic)器件是器件是19851985年问世的一种年问世的一种新的新的PLDPLD器件。它是在器件。它是在PALPAL器件的基础上综合了器件的基础上综合了E E2 2PROMPROM和和CMOSCMOS技术发展起来的一种新型技术。技术发展起来的一种新型技术。 GALGAL器件具有器件具有PALPAL器件所没有的可擦除、可重写及结构器件所没

44、有的可擦除、可重写及结构可组态等特点。这些特点形成了器件的可测试性和高可靠可组态等特点。这些特点形成了器件的可测试性和高可靠性，且具有更大的灵活性。性，且具有更大的灵活性。一一. GAL. GAL的基本逻辑结构的基本逻辑结构 GALGAL除一个可编程的除一个可编程的“与与”阵列和一个固定连接的阵列和一个固定连接的“或或”阵列之外，在阵列之外，在每一个输出端都集成有一个输出逻辑宏单元每一个输出端都集成有一个输出逻辑宏单元OLMCOLMC(Output Logic Macro Cell)(Output Logic Macro Cell)，允许使用者定义每个输，允许使用者定义每个输出的结构和功能。典

45、型产品有出的结构和功能。典型产品有GAL16V8GAL16V8。 GAL16V8 GAL16V8的基本组成的基本组成 GAL16V8GAL16V8芯片是一种具有芯片是一种具有8 8个固定输入引脚、最多可达个固定输入引脚、最多可达1616个输入引脚，个输入引脚，8 8个输出引脚，输出可编程的个输出引脚，输出可编程的GALGAL。 组成组成: : 由由8 8个输入缓冲器、个输入缓冲器、8 8个反馈输入缓冲器、个反馈输入缓冲器、8 8个输出个输出逻辑宏单元逻辑宏单元OLMCOLMC，8 8个输出三态缓冲器、个输出三态缓冲器、“与与”阵列以及系统阵列以及系统时钟、输出选通信号等组成。时钟、输出选通信号

46、等组成。 其中，其中，“与与”阵列包含阵列包含3232列列和和6464行行，3232列表示列表示8 8个输入个输入的的原变量和反变量及原变量和反变量及8 8个输出反馈信号个输出反馈信号的原变量和反变量；的原变量和反变量；6464行行表示表示“与与”阵列可产生阵列可产生6464个个“与与”项项，对应对应8 8个输出个输出，每个输，每个输出包括出包括8 8个个“与与”项。项。42 二二. . 输出逻辑宏单元输出逻辑宏单元OLMCOLMC OLMCOLMC由一个由一个8 8输入或门、极性选择异或门、输入或门、极性选择异或门、D D触发器、触发器、4 4个多路选择器个多路选择器等组成。其结构如下图所示

47、。等组成。其结构如下图所示。与项选择与项选择 MUXMUX输出允许输出允许 控制控制MUXMUX输出选择输出选择 MUXMUX反馈选择反馈选择 MUXMUX图中各部件功能如下图中各部件功能如下: : 或门：或门：每个输入对应一每个输入对应一个来自个来自“与与”阵列的阵列的“与与”项，输出形成项，输出形成“与与- -或或”函数表达式。函数表达式。 异或门：异或门：异或门由控制变量异或门由控制变量XOR(n)(XOR(n)(其中其中n n为为OLMCOLMC输出引脚号输出引脚号) )控制输出信号的极性选择。控制输出信号的极性选择。 当当XOR(n)=XOR(n)=“0 0”时，异或门的输出与输入相

48、同；时，异或门的输出与输入相同； 当当XOR(n)=XOR(n)=“1 1”时，异或门的输出与输入相反。时，异或门的输出与输入相反。 44多路选择器多路选择器 “与与”项选择多路选择器项选择多路选择器PTMUXPTMUX：用于控制或门的第一个用于控制或门的第一个“与与”项。来自项。来自“与与”阵列的阵列的8 8个个“与与”项当中有项当中有1 1个作为个作为PTMUXPTMUX的输的输入。在入。在AC0AC0和和AC1(n)AC1(n)控制下，控制下，PTMUXPTMUX选择该选择该“与与”项或者项或者“地地”作为或作为或门的输入。门的输入。 输出选择多路选择器输出选择多路选择器OMUXOMUX

49、：用用于选择输出信号是组合逻辑还是时于选择输出信号是组合逻辑还是时序逻辑。序逻辑。OMUXOMUX在在AC0AC0和和AC1(n)AC1(n)的控的控制下，选择异或门输出或寄存器输制下，选择异或门输出或寄存器输出作为输出。出作为输出。 输出允许控制选择多路选择输出允许控制选择多路选择器器TSMUXTSMUX：用于选择输出三态缓冲用于选择输出三态缓冲器的选通信号。在器的选通信号。在AC0AC0和和AC1(n)AC1(n)的的控制下，控制下，TSMUXTSMUX选择选择VCCVCC、“地地”、OEOE或者一个或者一个“与与”项项(PT)(PT)作为允许作为允许输出的控制信号。输出的控制信号。 反馈

50、选择多路选择器反馈选择多路选择器FMUXFMUX：用用于控制反馈信号的来源。在于控制反馈信号的来源。在AC0AC0和和AC1(n)AC1(n)的控制下，可选择的控制下，可选择“地地”、相邻位输出、本位输出或者触发器相邻位输出、本位输出或者触发器的输出非端作为反馈信号，送回的输出非端作为反馈信号，送回“与与”阵列作为输入信号。阵列作为输入信号。 D D触发器：触发器：D D触发器对输出状态起触发器对输出状态起寄存作用，使寄存作用，使GALGAL适应于时序逻辑电适应于时序逻辑电路。路。7.3 7.3 高密度可编程逻辑器件高密度可编程逻辑器件常用的高密度可编程逻辑器件有三类：常用的高密度可编程逻辑器

51、件有三类： 复杂可编程逻辑器件（复杂可编程逻辑器件（CPLDCPLD） 现场可编程门阵列现场可编程门阵列 (FPGA)(FPGA) 在系统可编程逻辑器件在系统可编程逻辑器件(ISPLD)(ISPLD) 7.3.1 ISP7.3.1 ISP逻辑器件的类型逻辑器件的类型 目前，市场上提供的目前，市场上提供的ISPISP逻辑器件可分为逻辑器件可分为ispLSIispLSI、ispGALispGAL和和ispGDSispGDS三种类型。三种类型。1. ispLSI1. ispLSI逻辑器件逻辑器件 ispLSI(ispLSI(在系统编程大规模集成在系统编程大规模集成) )逻辑器件具有集成度高、逻辑器件

52、具有集成度高、速度快、可靠性好、灵活方便等优点，能满足在高性能系统中速度快、可靠性好、灵活方便等优点，能满足在高性能系统中实现各种复杂逻辑功能的需要，被广泛应用于数据处理、图形实现各种复杂逻辑功能的需要，被广泛应用于数据处理、图形处理、空间技术、军事装备及通信、自动控制等领域。处理、空间技术、军事装备及通信、自动控制等领域。 ISPISP技术是美国技术是美国LatticeLattice公司于公司于19911991年率先推出的，该公司将年率先推出的，该公司将ISPISP技术应用到高密度可编程逻辑器件技术应用到高密度可编程逻辑器件(HDPLD)(HDPLD)中，形成了中，形成了ispLSIispL

53、SI系列高密度在系统可编程逻辑器件。该公司生产的系列高密度在系统可编程逻辑器件。该公司生产的ispLSIispLSI器件有器件有4 4个常用系列：个常用系列： 基本系列基本系列ispLSI1000ispLSI1000：适用于实现各种逻辑功能、高速适用于实现各种逻辑功能、高速编码、总线管理等；编码、总线管理等； 高速系列高速系列ispLSI2000ispLSI2000：I/OI/O端口数较多，适用于高速计数、端口数较多，适用于高速计数、定时等场合，并可用作高速定时等场合，并可用作高速RISC/CISCRISC/CISC微处理器的接口；微处理器的接口； 模块化系列模块化系列ispLSI6000is

54、pLSI6000：带有存储器和寄存器带有存储器和寄存器/ /计数器，计数器，适用于数据处理、数据通信等。适用于数据处理、数据通信等。 高密系列高密系列ispLSI3000ispLSI3000：集成密度高，能实现非常复杂的逻集成密度高，能实现非常复杂的逻辑功能，适用于数字信号处理、图形处理、数据压缩以及数据辑功能，适用于数字信号处理、图形处理、数据压缩以及数据加密、解密等；加密、解密等；ispLSI1000ispLSI1000系列的主要产品系列的主要产品 型号型号参数参数ispLSI1016ispLSI1016ispLSI1024ispLSI1024ispLSI1032ispLSI1032isp

55、LSI1048ispLSI1048PLDPLD门数门数20002000400040006000600080008000宏单元数宏单元数64649696128128192192寄存器数寄存器数9696144144192192288288输入输入/ /输出数输出数363654547272106/110106/1102. ispGAL2. ispGAL器件器件 ispGALispGAL系列器件，是把系列器件，是把ISPISP技术引入到标准的低密度系列技术引入到标准的低密度系列可编程逻辑器件中形成的可编程逻辑器件中形成的ISPISP器件。器件。 典型产品：典型产品：ispGAL22V10ispGAL2

56、2V10 ispGAL22V10ispGAL22V10是把流行的是把流行的GAL22V10GAL22V10与与ISPISP技术相结合形成技术相结合形成的产品，在功能和结构上与的产品，在功能和结构上与GAL22V10GAL22V10完全相同。完全相同。 性能：性能：传输时延低于传输时延低于7.5ns7.5ns；系统速度高达；系统速度高达111MHz111MHz；编程；编程次数可达次数可达1 1万次以上；编程电源为万次以上；编程电源为+5V+5V，无需外接编程高压电，无需外接编程高压电源；与源；与GAL22V10GAL22V10的引脚相互兼容。的引脚相互兼容。 适应范围：适应范围：高速图形处理和高

57、速总线管理，状态控制、高速图形处理和高速总线管理，状态控制、数据处理、通信工程、测量仪器以及实现诸如地址译码器之数据处理、通信工程、测量仪器以及实现诸如地址译码器之类的基本逻辑功能。类的基本逻辑功能。3. ispGDS3. ispGDS器件器件 ispGDS(ispGDS(在系统可编程通用数字开关在系统可编程通用数字开关) )是是ISPISP技术与开关矩技术与开关矩阵相结合的产物。它标志着阵相结合的产物。它标志着ISPISP技术已从系统逻辑领域扩展到技术已从系统逻辑领域扩展到系统互连领域。系统互连领域。 ispGDSispGDS器件能提供的一种独特功能是，在不拨动机械开关器件能提供的一种独特功

58、能是，在不拨动机械开关或不改变系统硬件的情况下，快速地改变或重构印制电路板的或不改变系统硬件的情况下，快速地改变或重构印制电路板的连接关系。连接关系。 ispGDSispGDS系列器件非常适合于重构目标系统的连接关系，它系列器件非常适合于重构目标系统的连接关系，它使系统硬件可以通过软件控制进行重构而无需人工干预。使系统硬件可以通过软件控制进行重构而无需人工干预。7.3.2 ISP7.3.2 ISP逻辑器件的基本结构逻辑器件的基本结构 ispLSI ispLSI 是是ISPISP逻辑器件中最早问世、最具代表性的逻辑器逻辑器件中最早问世、最具代表性的逻辑器件。件。ispLSIispLSI芯片由若干

59、巨块组成，巨块之间通过全局布线区芯片由若干巨块组成，巨块之间通过全局布线区GRPGRP连接起来，每个巨块包括若干个通用逻辑块连接起来，每个巨块包括若干个通用逻辑块GLBGLB、输出布线、输出布线区区 O R PO R P 、 若 干 输 入 输 出 引 脚 和 专 用 输 入 引 脚 等 。、 若 干 输 入 输 出 引 脚 和 专 用 输 入 引 脚 等 。 7.3.3 7.3.3 典型器件典型器件 ispLSI1016ispLSI1016是采用是采用E E2 2CMOSCMOS工艺制造。芯片共有工艺制造。芯片共有4444个引脚，个引脚，其中其中3232个个I/OI/O引脚；集成密度为引脚；

60、集成密度为20002000等效门，每片含等效门，每片含6464个触发个触发器和器和3232个锁存器；最高工作频率为个锁存器；最高工作频率为125MHz125MHz。以以ispLSI1016ispLSI1016为例，其引脚排列图和芯片实物图如下：为例，其引脚排列图和芯片实物图如下： 该器件由该器件由2 2个巨块个巨块、1 1个全局布线区个全局布线区和和1 1个时钟分配网络个时钟分配网络构构成。每个巨块含成。每个巨块含8 8个通用逻辑单元个通用逻辑单元GLBGLB，1616个个I/OI/O单元，单元，2 2个专个专用输入引脚用输入引脚(IN0(IN0，IN1IN1或或IN2IN2，IN3 )IN3