可编程逻辑器件文件.PPT

第2章 可编程逻辑器件 随着数字电子技术日新月异的发展，70年代后出现了存放用户程序的可编程只读存储器（PROM），用户可以方便地实现不同的逻辑电路，由此便出现了最早的可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）。该类器件具有结构灵活、集成度高、处理速度快和可靠性高等特点，因此发展极其迅速，从早期的仅几百门规模、需专用编程器编程的简单可编程器件，发展到数百万门规模、可在线直接编程的高密度可编程器件，在工业控制和产品开发等方面得到了广泛的应用。 各种可编程逻辑器件可以分为简单可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）、现场可编程器门阵列（Filed Programmable Gate Array，FPGA）等。 2.1 简单可编程逻辑器件 简单可编程逻辑器件是指在芯片内部集成的硬件资源相对较小、应用的场合相对简单，而且实现的逻辑功能不是很复杂，通常都是实现一些简单的逻辑操作，比如与、或、非、与非、或非以及同或、异或等逻辑功能，主要包括PLD、PAL、GAL等几种可编程逻辑器件。 1. PLD 可编程逻辑器件（PLD）是集成电路技术发展的产物，是EDA得以实现的硬件基础，由设计人员自行编程而把数字系统“集成”在一片PLD上，可灵活方便地构建和修改数字电子系统，不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。 一般把单片集成度在1K标准门以下的可编程逻辑器件称为简单PLD。简单PLD由与阵列和或阵列组成，能有效地实现“乘积项”形式的布尔逻辑函数。最初的PLD是PROM和PAL。PROM中与阵列固定，当输入变量为N时，与阵列的乘积项输出线为2的N次方，而或阵列是可编程的。在许多逻辑应用场合中，并不需要每个变量均参与乘积项。为了组合逻辑的需要，发明了PAL（Programmable Array Logic）器件，在PAL中，与阵列是可编程的，而或阵列是固定的。后来为使PAL能够适应更多的应用需求，又在PAL结构中加入了寄存器，这样也可以作时序电路。有些PAL的输出部分还加入了一些宏单元，可以灵活地变换正负输出逻辑、寄存器和三态输出等，这就是通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic）。 PLD阵列的表示方法：PLD可以用阵列图来表示，阵列图是将缓冲器、与门阵列和或门阵列组合起来构成的。图中，A、B为输入信号，F1 F2 F3为输出信号。与阵列固定，或阵列可编程。 2 . PLA PROM能够实现逻辑函数的最小项表达式，而最小项表达式是一种非常繁琐的与-或表达式，当变量较多时，PROM实现逻辑函数的效率极低。但按最简与-或表达式实现逻辑函数的成本最低，为此人们针对PROM的缺点设计了专门用来实现逻辑电路的可编程器件PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)。PLA的基本结构类似于PROM，但它提供了对逻辑功能处理更有效的方法，它的与阵列和或阵列都可编程。其与阵列可按需要产生任意的与项，因此用PLA可以实现逻辑函数的最简与-或表达式。 3 . PAL 尽管用PLA实现逻辑电路的效率远远高于PROM，但PLA也有不足之处，主要是与阵列和或阵列均采用可编程开关，而可编程开关需占用较多的芯片面积，并会引入较大的信号延时，因此，PLA的结构不利于提高器件的集成度和工作速度。20世纪70年代出现了可编程阵列逻辑PAL。 PAL是Programmable Array Logic的缩写，即可编程阵列逻辑。 PAL也是PLD的一种，采用“与”、“或”阵列结构，但是与PROM不同，PAL的“或”阵列是固定的，而“与”阵列则是可以编程的。随着VLSI技术的不断发展和提高，允许设计规模较大的“与”阵列。因此PAL为用户对“与”阵列编程带来了很大方便。在逻辑表达式中一般可以简化到几个积项，很少超过8个。所以在PAL中，每一个或门输入最多可以有8个乘积项，这样为用户编程提供了方便。 PAL电路的逻辑阵列结构图如图所示。 图中，PAL由与阵列和或阵列构成，与阵列是可编程的，采用熔丝编程技术来实现，而或阵列是固定的。用PAL实现逻辑函数的形式是与-或表达式，由于其或阵列采用固定连接，为适应不同函数与-或式中与项数不同的情况，PAL器件中或门的输入端数一般不做成一样，而是有多有少，以适应不同函数的需要。图中所示每个或门的输入端数为4个。 4 . GAL GAL是Generic Array Logic的缩写，即通用可编程阵列逻辑。对应很多简单的数字逻辑，GAL等简单的可编程逻辑器件仍然被大量使用。目前，国内外很多对成本十分敏感的设计