第二讲—CPLD的基本结构和原理.pptVIP

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第二讲 CPLD基本结构及原理 一、PLD的编程技术 从电路设计者来说,可将设计好的电路“写入”芯片(PLD母片),使之成为专用集成电路;有些PLD可以多次“编程(逻辑重构)”,这就特别适合新产品试制或小批量生产。PLD的编程技术有下列几种工艺。 熔丝编程技术是用熔丝作为开关元件,这些开关元件平时(在未编程时)处于连通状态,加电编程时,在不需要连接处将熔丝熔断,保留在器件内的熔丝模式决定相应器件的逻辑功能。 反熔丝编程技术也称熔通编程技术,这类器件是用逆熔丝作为开关元件。这些开关元件在未编程时处于开路状态,编程时,在需要连接处的逆熔丝开关元件两端加上编程电压,逆熔丝将由高阻抗变为低阻抗,实现两点间的连接,编程后器件内的反熔丝模式决定了相应器件的逻辑功能。 熔丝结构 反熔丝结构示意 (2)浮栅型电可写紫外线擦除编程技术 浮栅管相当于一个电子开关,如N沟浮栅管,当浮栅中没有注入电子时,浮栅管导通;当浮栅中注入电子后,浮栅管截止。浮栅管的浮栅在原始状态没有电子,如果把源极和衬底接地,且在源-漏极间加电压脉冲产生足够强的电场,使电子加速跃入浮栅中,则使浮栅带上负电荷,电压脉冲消除后,浮栅上的电子可以长期保留;当浮栅管受到紫外光照射时,浮栅上的电子将流向衬底,擦除所记忆的信息,而为重新编程做好准备。 浮栅型紫外线擦除熔丝结构 (3)浮栅型电可写电擦除编程技(E2PROM) 此类器件在CMOS管的浮栅与漏极间有一薄氧化层区,其厚度为10μm~15μm,可产生隧道效应。编程(写入)时,漏极接地,栅极加20V的脉冲电压,衬底中的电子将通过隧道效应进入浮栅,浮栅管正常工作时处于截止状态,脉冲消除后,浮栅上的电子可以长期保留;若将其控制栅极接地,漏极加20V的脉冲电压,浮栅上的电子又将通过隧道效应返回衬底,则使该管正常工作时处于导通状态,达到对该管擦除的目的。编程和擦除都是通过在漏极和控制栅极上加入一定幅度和极性的电脉冲来实现,可由用户在“现场”用编程器来完成。 浮栅型电可擦除熔丝结构 (4)SRAM编程技术 与浮栅型熔丝结构基本相同。SRAM编程技术是在FPGA器件中采用的主要编程工艺之一。SRAM型的FPGA是易失性的,断电后其内部编程数据(构造代码)将丢失,需在外部配接ROM存放FPGA的编程数据。 二、复杂可编程逻辑器件(CPLD)的基本原理 CPLD由可编程逻辑的功能块围绕一个可编程互连矩阵构成。由固定长度的金属线实现逻辑单元之间的互连,并增加了I/O控制模块的数量和功能。可以把CPLD的基本结构看成由可编程逻辑阵列(LAB)、可编程I/O控制模块和可编程内部连线(PIA)等三部分组成。 MAX7123的结构 1.可编程逻辑阵列(LAB) 可编程逻辑阵列又若干个可编程逻辑宏单元(Logic Macro Cell,LMC)组成, LMC内部主要包括与阵列、或阵列、可编程触发器和多路选择器等电路,能独立地配置为时序或组合工作方式。 宏单元结构图 (1)乘积项共享结构 在CPLD的宏单元中,如果输出表达式的与项较多,对应的或门输入端不够用时,可以借助可编程开关将同一单元(或其他单元)中的其他或门与之联合起来使用,或者在每个宏单元中提供未使用的乘积项给其他宏单元使用。 EPM7128E乘积项扩展和并联扩展项的结构图 (2)多触发器结构 早期可编程器件的每个输出宏单元(OLMC)只有一个触发器,而CPLD的宏单元内通常含两个或两个以上的触发器,其中只有一个触发器与输出端相连,其余触发器的输出不与输出端相连,但可以通过相应的缓冲电路反馈到与阵列,从而与其他触发器一起构成较复杂的时序电路。这些不与输出端相连的内部触发器就称为“隐埋”触发器。这种结构可以不增加引脚数目,而增加其内部资源。 (3)异步时钟 早期可编程器件只能实现同步时序电路,在CPLD器件中各触发器的时钟可以异步工作,有些器件中触发器的时钟还可以通过数据选择器或时钟网络进行选择。此外,OLMC内触发器的异步清零和异步置位也可以用乘积项进行控制,因而使用更加灵活。 2.可编程I/O单元(IOC) CPLD的I/O单元(Input/Output Cell,IOC),是内部信号到I/O引脚的接口部分。根据器件和功能的不同,各种器件的结构也不相同。由于阵列型器件通常只有少数几个专用输入端,大部分端口均为I/O端,而且系统的输入信号通常需要锁存。因此I/O常作为一个独立单元来处理。 3.可编程内部连线(PIA) 可编程内部连线的

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