数字电路与逻辑设计（第四版）课件 第6章 可编程逻辑器件.pptx

第6章可编程逻辑器件;

6.1概述;

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由于可编程逻辑器件的逻辑功能和电路结构可以通过电学和逻辑编程的方式进行变换，因此最先出现的SPLD的功能和意义并不仅仅局限于将印制板上多个分立的54或74标准逻辑器件集成到一个SPLD芯片中，它提高了系统的性能和可靠性，降低了印制板和系统的成本，更重要的是，SPLD芯片的逻辑功能和电路结构将可以按照系统的功能需求进行编程，极大地方便了系统原型的建构、系统功能的验证和完善，具有重要的设计方法学的突破意义。随着SPLD的成功应用、推广以及半导体技术的不断成熟和发展，性能更先进、功能更复杂的复杂可编程逻辑器件和现场可编程逻辑阵列也在不断推出并得到推广应用。可编程逻辑器件的分类如图6-2所示。;

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6.2简单可编程逻辑器件(SPLD)

如图6-2所示，简单可编程逻辑器件可分为PROM、PLA、PAL和GAL等不同种类的器件，这些SPLD的结构可以统一概括为图6-3所示的基本结构，由输入电路、与阵列、或阵列和输出电路四部分组成。其中，与阵列和或阵列用于实现逻辑函数和功能，它是SPLD的核心部分。;

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6.2.1PROM器件

第一种SPLD是PROM器件。PROM器件于1970年问世，主要用来存储计算机的程序指令和常数，但设计人员也利用PROM来实现查找表和有限状态机等一些简单的逻辑功能。实际上，利用PROM器件可以方便地实现任意组合电路，这是通过一个固定的与阵列和一个可编程的或阵列组合来实现的。一个具有三输入、三输出的未编程PROM器件的结构如图6-4所示。在该结构中，与阵列固定地生成所有输入信号的逻辑小项，而或阵列则通过编程，实现任意小项之和。;

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如果我们希望实现一个如图6-5所示的简单组合逻辑电路，则图6-4中或阵列的编程情况如图6-6所示。;

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6.2.2PLA器件

为了克服PROM器件中固定与阵列的局限，设计人员在1975年推出了可编程逻辑阵列器件。PLA器件是简单可编程器件中配置最灵活的一种器件，它的与阵列和或阵列都是可以编程的。一个未编程的PLA器件的结构如图6-7所示。

我们利用PLA器件来实现???列等式：

则对应的PLA器件的与阵列和或阵列的编程情况如图6-8所示。;

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6.2.3PAL器件

为了克服PLA器件速度慢的问题，设计人员于20世纪70年代末期推出了一种新型的器件：可编程阵列逻辑(PAL，ProgrammableArrayLogic)器件。PAL器件的结构与PROM器件的正好相反，与阵列是可编程的，而或阵列则是固定的。未编程的PAL器件的结构如图6-9所示。;

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6.3复杂可编程逻辑器件(CPLD)

虽然各家公司生产的CPLD存在一定的差异，但CPLD的基本结构相同，如图6-10所示。CPLD中包含多个SPLD模块，这些SPLD模块之间通过可编程的互连矩阵连接起来。在对CPLD编程时，不但需要对其中的每一个SPLD模块进行编程，而且SPLD模块之间的互连线也需要通过可编程互连阵列进行编程。不同生产厂家，不同产品系列的CPLD中所采用的可编程开关存在着差异，可编程开关可以利用EPROM、E2PROM、FLASH和SRAM单元来实现。;

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CPLD通常可以实现数千至上万个等效逻辑门，同时CPLD的集成度、速度和体系结构复杂度也在不断地提高。典型的CPLD的特征参数如表6-1所示。;

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6.4现场可编程逻辑阵列(FPGA);

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FPGA的基本结构如图6-12所示。对于FPGA结构的一种形象化的描述是：大量的可编程逻辑功能模块的“小岛”，被可编程的、互连的“海洋”所包围。;

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从CPLD发展到FPGA，并不仅仅是规模和集成度的进一步提升，FPGA的体系结构远远复杂于CPLD，它们的对比如图6-13所示。从图中可以看出，CPLD更适合于实现具有更多的组合电路，而寄存器数目受限的简单设计，同时，CPLD的连线延迟是可以准确地预估的，它的输入/输出引脚数目较少；FPGA更适合于实现规模更大，寄存器更加密集的针对数据路径处理的复杂设计，FPGA具有更加灵活的布线策略、更多的输入/输出引脚数目。;

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6.4.2FPGA的特征

典型的FPGA的特征参数如表6-2所示。随着半导体工艺技术的不断发展和商业竞争的日趋激烈，FPGA的集成度、复杂度、速度和I/O引脚数目也在不断提高，同时，FPGA的体系架构也在不断发展，容量更大的嵌入式RAM模块、嵌入式处理器硬核和软核、专用硬件乘法器、高速通信模块等功能模块被集成到FPGA中。结合