第六章 可编程逻辑器件

《电子系统设计与实践》

第6章可编程逻辑器件

可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）是一种大规模集成电路芯片，它可根据用户的实际要求，由用户或集成电路（IC）制造厂商对其进行编程，从而制造符合用户要求的专用电路。单片PLD上集成了大量逻辑门和具有一定功能的逻辑单元。PLD的基本结构如图6.1.1所示。其中，与阵列用以产生“与”逻辑项（乘积项），或阵列用以把所有与门输出的乘积项构成“与-或”形式的逻辑函数。6.1.1可编程逻辑器件的特点6.1可编程逻辑器件概述6.1.1可编程逻辑器件的特点6.1可编程逻辑器件概述根据PLD门电路的集成度，可将其分为低密度和高密度PLD两大类根据PLD中与阵列、或阵列是否可编程，可分为三种基本类型：根据PLD的结构体系，可将其分为简单PLD（即SPLD，如PAL、GAL）、复杂PLD（如CPLD）和现场可编程门阵列FPGA三大类6.1.2可编程逻辑器件的分类6.1可编程逻辑器件概述传统的逻辑电路表示方法不适合于描述可编程逻辑器件PLD的内部结构和功能。为此可以采取一种新的逻辑表示法——PLD表示法。这种表示法在芯片内部配置和逻辑图之间建立了一一对应的关系，并将逻辑图和真值表结合起来，构成了一种紧凑而易于识读的表达形式。6.1.3可编程逻辑器件的电路表示法6.1可编程逻辑器件概述

6.1可编程逻辑器件概述

6.1可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件SPLD、CPLD和FPGA等都采用可编程元件存储逻辑配置数据或作为电子开关使用。常用的可编程元件有3种类型：熔丝（Fuse）或反熔丝（Antifuse）开关元件；浮栅编程元件，即EPROM和EEPROM；SRAM配置存储器元件。

6.1.4可编程元件6.1可编程逻辑器件概述（1）熔丝开关和反熔丝开关（2）浮栅编程技术（3）SRAM配置存储器6.1.4可编程元件6.2简单的可编程逻辑器件6.2.1PROM的PLD表示法可编程阵列逻辑器件（PAL）是20世纪70年代后期推出的PLD器件。它采用可编程与门阵列和固定连接或门阵列的基本结构形式，一般采用熔丝编程技术实现与门阵列的编程。各种型号PAL的门阵列规模有大有小，但基本结构类似。

6.2.2可编程阵列逻辑器件

6.2简单的可编程逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件通用阵列逻辑（GAL）器件是在PAL器件的基础上产生的新一代器件，其结构与PAL器件一样，也是由可编程的与阵列去驱动固定的或阵列，但它的输出单元的结构与PAL器件完全不同。GAL器件的每个输出引脚都接有一个输出逻辑宏单元（OLMC）

6.2.3可编程通用阵列逻辑器件

6.2简单的可编程逻辑器件

6.2简单的可编程逻辑器件GAL的基本结构8个输入缓冲器（2～9脚）与8个反馈/输入缓冲器88个与门可形成与阵列的64个乘积项。8个输出逻辑宏单元OLMC，系统时钟CLK（脚1）输入缓冲器，三态输出缓冲器的公用使能信号（脚11）的输入缓冲器。6.2.3可编程通用阵列逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件

输出逻辑宏单元OLMC输出逻辑宏单元OLMC(n)（属于引脚号n的OLMC）的逻辑图，OLMC(n)由4个多路开关MUX、1个D触发器及4个门G1～G4组成。通过不同的选择方式可以产生多种输出结构。6.2.3可编程通用阵列逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件

6.2简单的可编程逻辑器件

①寄存器模式：在寄存器模式下，OLMC有如下两种输出结构寄存器输出结构寄存器模式组合输出双向口结构6.2.3可编程通用阵列逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件

6.2.3可编程通用阵列逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件

②复合模式：在复合模式下，OLMC则有如下两种结构。组合输出双向口结构（如图所示）：大致与寄存器模式下组合输出双向口结构相同，区别是引脚CLK、OE在寄存器模式下为专用公共引脚，不可他用。组合输出结构（如图所示）：除了无反馈外，其他同组合输出双向口结构。6.2.3可编程通用阵列逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件

6.2.3可编程通用阵列逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件

③简单模式：在简单模式下OLMC可定义为如下3种输出结构。反馈输入结构输出反馈结构简单模式输出结构6.2.3可编程通用阵列逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件6.2.3可编程通用阵列逻辑器件6.2简单的可编程逻辑器件CPLD将简单PLD（PAL、GAL等）的概念做了进一步的扩展，并提高了器件的集成度。与简单PLD相比，CPLD允许有更多的输入信号、更多的乘积项和更多的宏单元，包含多个逻辑单元块，每个逻辑块就相当于一个GAL器件6.3.1CPLD的基本结构6.3复杂的可编程逻辑器件（CPLD）6.3复杂的可编程逻辑器件（CPLD）MAX7000系列器件是高性能、高密度CMOSCPLD，在制造工艺上采用了先进的CMOSEEPROM技术每个芯片包含4个专用输入，可用做通用输入，也可作为每个宏单元和I/O引脚的高速、全局控制信号。其中，全局控制信号包括时钟、异步清零和2个输出使能。6.3.2MAX7000系列器件结构6.3复杂的可编程逻辑器件（CPLD）6.3复杂的可编程逻辑器件（CPLD）1．逻辑阵列块2．宏单元3．扩展乘积项4．可编程连线阵列5．I/O控制块6.3.2MAX7000系列器件结构6.3复杂的可编程逻辑器件（CPLD）6.3复杂的可编程逻辑器件（CPLD）6.3.2MAX7000系列器件结构6.3复杂的可编程逻辑器件（CPLD）现场可编程门阵列（FPGA）是20世纪80年代中期发展起来的另一种类型的可编程器件。与前面讨论过的可编程器件相比，FPGA不受“与-或”阵列结构上的限制及含有触发器和I/O端数量上的限制，可以靠内部的逻辑单元以及它们的连接构成任何复杂的逻辑电路，更适合实现多级逻辑功能，并且具有更高的密度和更大的灵活性。目前，FPGA已成为设计数字电路或系统的首选器件之一6.4.1现场可编程门阵列的基本原理6.4现场可编程门阵列6.4.1现场可编程门阵列的基本原理6.4现场可编程门阵列FLEX（灵活逻辑单元矩阵）系列是Altera应用非常广泛的产品，包括FLEX8000和FLEX

10K等。这些器件具有比较高的集成度及丰富的寄存器资源，采用了快速、可预测延时的连续式布式结构，是一种将CPLD和FPGA的优点结合于一体的器件，具有较高的性价比。6.4.2FLEX10K系列器件结构

6.4现场可编程门阵列6.4现场可编程门阵列1．嵌入式阵列块 嵌入式阵列块（EAB）是一种输入和输出端带有寄存器的非常灵活的RAM，既可以作为存储器使用，也可以实现逻辑功能2．逻辑阵列块（LAB）3．逻辑单元（LE）6.4.2FLEX10K系列器件结构

6.4现场可编程门阵列（1）进位链（2）级联链（3）LE的工作模式①正常模式②运算模式③加/减计数模式④可清除的计数模式（4）清除/置位逻辑控制6.4.2FLEX10K系列器件结构

6.4现场可编程门阵列4．快速通道（FastTrack）6.4.2FLEX10K系列器件结构

6.4现场可编程门阵列5．输入/输出单元（IOE）6．数据配置与下载7．FLEX10K10

器件引脚及主要电气参数

FLEXEPF10K10ByteBlaster下载电缆通过标准并口与计算机相连,实现在系统编程。它的构成为：与计算机并口相连的25针插座、与目标PCB板插座相连的10针插头和25针到10针的变换电路。6.5.1ByteBlaster外形6.5并口下载电缆ByteBlaster的原理电路及使用6.5.1ByteBlaster外形6.5并口下载电缆ByteBlaster的原理电路及使用6.5.2ByteBlaster内部电路与信号定义6.5并口下载电缆ByteBlaster的原理电路及使用（1）单个MAX器件的JTAG编程将ByteBlaster电缆的一端与微机的并口相连（LPT1），另一端10针插头与装配有PLD器件的PCB板上的插座相连，

6.5.3编程配置方式6.5并口下载电缆ByteBlaster的原理电路及使用（2）多个MAX/FLEX器件的JTAG编程/配置6.5.2ByteBlaster内部电路与信号定义6.5并口下载电缆ByteBlaster的原理电路及使用（3）单个FLEX器件的JTAG方式配置单个FLEX器件可以使用JTAG方式配置数据，

6.5.2ByteBlaster内部电路与信号定义6.5并口下载电缆ByteBlaster的原理电路及使用Lattice是最早推出PLD的公司，如GAL器件就是由Lattice最早开发生产的。Lattice公司的CPLD产品主要有ispLSI、ispMACH等系列。20世纪90年代以来，Lattice首先发明了isp下载方式，并将E2CMOS与ISP相结合，使CPLD的应用领域有了巨大的扩展。6.6.1Lattice公司CPLD器件系列

6.6FPGA/CPLD产品概述（1）ispLSI器件系列ispLSI系列器件是Lattice公司于20世纪90年代以来推出的高性能大规模可编程逻辑器件，集成度在1000门到60000门之间（2）ispLSI器件的结构与特点①采用UltraMOS工艺②系统可编程功能，③边界扫描测试功能④加密功能⑤短路保护功能6.6.1Lattice公司CPLD器件系列

6.6FPGA/CPLD产品概述（1）Virtex-E系列FPGA（2）SpartanⅡ器件系列（3）XC9500系列CPLD（4）XilinxFPGA配置器件SPROM（5）Xilinx的IP核6.6.2Xilinx公司的FPGA和CPLD器件系列

6.6FPGA/CPLD产品概述Altera是全球著名的PLD生产厂商，其产品按照推出的先后顺序依次为Classic系列、MAX（MultipleArrayMatrix）系列、FLEX（FlexibleLogicElementmatrix）系列、APEX（AdvancedLogicElementMatrix）系列、ACEX系列和Stratix系列等。这些器件的内部连线均采用连续式互连线结构6.6.3Altera公司的FPGA和CPLD器件系列

6.6FPGA/CPLD产品概述

6.6FPGA/CPLD产品概述（

1）MAX系列CPLD（2）FLEX系列FPGA（3）ACEX系列FPGA（4）APEX系列FPGA（5）Stratix系列FPGA（6）Altera宏功能块及IP核6.6.3Altera公司的FPGA和CPLD器件系列

6.6FPGA/CPLD产品概