第七章 可编程逻辑器件PLD

第七章第七章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD简介简介7-1 7-1 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLDPLD概述概述7-2 7-2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLDPLD的基本单元的基本单元7-3 7-3 可编程只读存储可编程只读存储PROMPROM和可编程逻辑阵列和可编程逻辑阵列PLAPLA7-4 7-4 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PALPAL和通用逻辑阵列和通用逻辑阵列GALGAL7-5 高密度可编程逻辑器件高密度可编程逻辑器件HDPLD原理及应用原理及应用7-6 现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA7-7 随机存取存储器（随机存取存储器（SRAM）小结小结连接线与点增多连接线与点增多抗干扰下降抗干扰下降传统的逻辑系统，当规模增大时传统的逻辑系统，当规模增大时 （SSI MSI)焊点多，可靠性下降焊点多，可靠性下降系统规模增加成本升高系统规模增加成本升高功耗增加功耗增加占用空间扩大占用空间扩大半定制半定制标准单元标准单元（Standard Cell）门阵列门阵列（Gate Array）可编程逻辑器件可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）近年来近年来PLD从芯片密度、速度等方面发展迅速，已成为一从芯片密度、速度等方面发展迅速，已成为一个重要分支。个重要分支。专用集成电路（简称专用集成电路（简称ASIC）系统放在一个芯片内系统放在一个芯片内用户定制用户定制集成电路集成电路ASIC全定制（全定制（Full Custom Design IC厂商直接做出。厂商直接做出。如：表芯如：表芯厂商做出半成品厂商做出半成品半定制（半定制（Semi-Custom Design IC）7-1 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD概述概述PLD是是70年代发展起来的新型逻辑器件，相继出现了年代发展起来的新型逻辑器件，相继出现了ROM、PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD和和FPGA等，它门组成基本相等，它门组成基本相似。似。一、一、PLD的基本结构的基本结构与门与门阵列阵列或门或门阵列阵列乘积项乘积项和项和项PLD主体主体输入输入电路电路输入信号输入信号互补互补输入输入输出输出电路电路输出函数输出函数反馈输入信号反馈输入信号输出既可以是低电平有效，输出既可以是低电平有效，又可以是高电平有效。又可以是高电平有效。可由或阵列直接输出，可由或阵列直接输出，构成组合；构成组合；通过寄存器输出，通过寄存器输出，构成时序方式输出。构成时序方式输出。可直接可直接输出输出也可反馈到输入也可反馈到输入二、二、PLDPLD的逻辑符号表示方法的逻辑符号表示方法1.输入缓冲器表示方法输入缓冲器表示方法AAA2.与门和或门的表示方法与门和或门的表示方法A B C DF1固定连接固定连接编程连接编程连接F1=ABCA B C DF2F2=B+C+DPLD具有较大的与或阵列，逻辑图的具有较大的与或阵列，逻辑图的画法与传统的画法有所不同画法与传统的画法有所不同下图列出了连接的三种特殊情况下图列出了连接的三种特殊情况:1.输入全编程，输出为输入全编程，输出为0。2.也可简单地对应的与门中画叉，因此也可简单地对应的与门中画叉，因此E=D。3.乘积项与任何输入信号都没有接通，相当与门输出为乘积项与任何输入信号都没有接通，相当与门输出为1。注：注：F=1将导致关断其它乘积项的输出。将导致关断其它乘积项的输出。下图给出最简单的下图给出最简单的PROM电路图，右图是左图的简化形式。电路图，右图是左图的简化形式。实现的函数为：实现的函数为：BABAF1BABAF2BAF3固定连接点固定连接点（与）（与）编程连接点编程连接点（或）（或）三、三、PLD的分类的分类（1）与固定、或编程：）与固定、或编程：ROM和和PROM（2）与或全编程：）与或全编程：PLA（3）与编程、或固定：）与编程、或固定：PAL、GAL和和HDPLD1.与固定、或编程与固定、或编程：与阵列全固定，即全译码；：与阵列全固定，即全译码；ROM和和PROMPLD基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类：基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类：2.与、或全编程与、或全编程：代表器件是代表器件是PLA（Programmable Logic Array），下图），下图给出了给出了PLA的阵列结构，在的阵列结构，在PLD中，它的灵活性最高。由于中，它的灵活性最高。由于与或阵列均能编程与或阵列均能编程的特点，在实现函数时，只需形成的特点，在实现函数时，只需形成所需的所需的乘积项乘积项，使阵列规模比，使阵列规模比PROM小得多。小得多。3.与编程、或固定与编程、或固定：代表器件代表器件PAL（Programmable Array Logic）和和GAL（Generic Array Logic）。，）。，这种结构中，或阵列固定若干个乘积项输出，见下图。这种结构中，或阵列固定若干个乘积项输出，见下图。四、四、PLD的性能特点的性能特点采用采用PLD设计数字系统和中小规模相比具有如下特点：设计数字系统和中小规模相比具有如下特点：1.减小系统体积：减小系统体积：单片单片PLD有很高的密度，可容纳中有很高的密度，可容纳中小规模集成电路的几倍到十几倍小规模集成电路的几倍到十几倍，2.增强逻辑设计的灵活性：增强逻辑设计的灵活性：使用使用PLD器件设计的系器件设计的系统，可以不受标准系列器件在逻辑功能上的限制。统，可以不受标准系列器件在逻辑功能上的限制。3.缩短设计周期：缩短设计周期：由于有可编程特性，用由于有可编程特性，用PLD设计一个设计一个系统所需时间比传统方式大为缩短系统所需时间比传统方式大为缩短。各各种种P PL LD D的的结结构构特特点点阵列类 型与或输出方式PROMPLAPALGAL固定可编程可编程可编程可编程可编程固定固定TS,OCTS,OC,H,LTS,I/O,寄存器用户定义各种各种PLD的结构特点的结构特点 4.提高系统处理速度：提高系统处理速度：用用PLD与或两级结构实现任何逻辑功与或两级结构实现任何逻辑功能，比用中小规模器件所需的逻辑级数少。这不仅简化了系统能，比用中小规模器件所需的逻辑级数少。这不仅简化了系统设计，而且减少了级间延迟，提高了系统的处理速度。设计，而且减少了级间延迟，提高了系统的处理速度。7.系统具有加密功能：系统具有加密功能：某些某些PLD器件，如器件，如GAL或高密度可编或高密度可编程逻辑器件本身具有加密功能。设计者在设计时选中加密项，程逻辑器件本身具有加密功能。设计者在设计时选中加密项，可编程逻辑器件就被加密，器件的逻辑功能无法被读出，有效可编程逻辑器件就被加密，器件的逻辑功能无法被读出，有效地防止逻辑系统被抄袭。地防止逻辑系统被抄袭。5.降低系统成本：降低系统成本：由于由于PLD集成度高，测试与装配的量大大集成度高，测试与装配的量大大减少，避免了改变逻辑带来的重新设计和修改，有效地降低了成减少，避免了改变逻辑带来的重新设计和修改，有效地降低了成本。本。6.提高系统的可靠性：提高系统的可靠性：用用PLD器件设计的系统减少了芯片器件设计的系统减少了芯片和印制板数量，增加了平均寿命和印制板数量，增加了平均寿命,减少相互间的连线，提高抗减少相互间的连线，提高抗干扰能力，从而增加了系统的可靠性。干扰能力，从而增加了系统的可靠性。五、用五、用PLD实现逻辑电路的方法与过程实现逻辑电路的方法与过程 用可编程逻辑器件来设计电路需要相应的开发软件平用可编程逻辑器件来设计电路需要相应的开发软件平台和编程器，可编程逻辑器件开发软件和相应的编程器多台和编程器，可编程逻辑器件开发软件和相应的编程器多种多样。种多样。可编程逻辑器件设计电路过程如下图所示可编程逻辑器件设计电路过程如下图所示 电电 路方路方 设案设案 计计设设计计输输入入优优化化电电路路选选择择器器件件编编程程 器时器时 件序件序 功检功检 能查能查 特别是一些较高级的软件平台，一个系统除了方案特别是一些较高级的软件平台，一个系统除了方案设计和输入电路外，其它功能都可用编程软件自动完成。设计和输入电路外，其它功能都可用编程软件自动完成。7-2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD的基本单元的基本单元编程单元：编程单元：PLD中用来存放数据的基本单元中用来存放数据的基本单元非易失性有多种编程单元，其特点为掉电后非易失性有多种编程单元，其特点为掉电后信息不会丢失，它一般用于只读存储器信息不会丢失，它一般用于只读存储器ROM。易失性单元：易失性单元：这种基本单元采用的是静态随机存储器这种基本单元采用的是静态随机存储器（SRAM）结构，其特点为掉电以后信息就要）结构，其特点为掉电以后信息就要丢失，现场可编程门阵列（丢失，现场可编程门阵列（FPGA）采用这种）采用这种编程单元。编程单元。非易失性单元：非易失性单元：编编程程单单元元编编程程方方式式一次编程：一次编程：信息一次编程固定好的，编程元件信息一次编程固定好的，编程元件PROM多次编程：多次编程：用户根据需要将数据储存在编程单元中，并用户根据需要将数据储存在编程单元中，并可 以 多 次 写 入 和 擦 除，编 程 元 件可 以 多 次 写 入 和 擦 除，编 程 元 件 U V EPROM和和E2PROM。编程单元采用的是编程单元采用的是浮栅技术浮栅技术一、熔丝型开关一、熔丝型开关 A1 A2Y1 Y2 Y3 Y4十进制0 00 11 01 10 0 0 00 0 0 10 1 0 01 0 0 10149二、反熔丝型开关二、反熔丝型开关三、浮栅编程技术三、浮栅编程技术 用浮栅编程技术生产的编程单元是一种能多次改写的用浮栅编程技术生产的编程单元是一种能多次改写的ROM，即已写入的内容可以擦去，也可以重新写入新的内，即已写入的内容可以擦去，也可以重新写入新的内容。容。（一）叠栅型（一）叠栅型（SIMOS）存储单元）存储单元25V25VGND111无无110+开启电压加大开启电压加大+开启电压开启电压5V5VGND 浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。用用紫外线照射紫外线照射芯片上的玻璃窗，则形成光电电流，把栅极芯片上的玻璃窗，则形成光电电流，把栅极电子带回到多晶硅衬底，电子带回到多晶硅衬底，SIMOS管恢复到初始的导通状态。管恢复到初始的导通状态。隧道80埃面积大向浮栅写入向浮栅写入电荷时，电荷时，G加加25V，D接接GND擦除浮栅电荷擦除浮栅电荷时，时，G加加5V，D接接25V（二）隧道型（二）隧道型（FLOTOX）储存单元）储存单元 前面研究的可擦写存储器的缺点是要擦除已存入的信息必须用前面研究的可擦写存储器的缺点是要擦除已存入的信息必须用紫外光照射一定的时间，因此不能用于快速改变储存信息的场合，紫外光照射一定的时间，因此不能用于快速改变储存信息的场合，用隧道型储存单元制成的存储器克服了这一缺点，它称为电可改写用隧道型储存单元制成的存储器克服了这一缺点，它称为电可改写只读存储器只读存储器E2PROM，即电擦除、电编程的只读存储器。，即电擦除、电编程的只读存储器。FLOTOX管的结构剖面示意图如图所示。管的结构剖面示意图如图所示。它与叠栅型管的不同在于浮栅延长区与漏区它与叠栅型管的不同在于浮栅延长区与漏区N 之间的交叠之间的交叠处有一个厚度约为处有一个厚度约为80埃的薄绝缘层埃的薄绝缘层（三）闪速型（三）闪速型（Flash）存储单元）存储单元 闪速存储单元又称为闪速存储单元又称为快擦快快擦快写存储单元写存储单元。右图是闪速存储单。右图是闪速存储单元剖面图。元剖面图。闪速存储单元去掉了隧道型存闪速存储单元去掉了隧道型存储单元的选择管，它不像储单元的选择管，它不像E2PROM那样一次只能擦除一个字，而是可那样一次只能擦除一个字，而是可以用一个信号，在几毫秒内擦除一以用一个信号，在几毫秒内擦除一大区段。大区段。因此，闪速存储单元比隧道型存储单元的芯片结构更简因此，闪速存储单元比隧道型存储单元的芯片结构更简单、更有效，使用闪速存储单元制成的单、更有效，使用闪速存储单元制成的PLD器件密度更高。器件密度更高。Flash工作原理类似于叠栅型存储单元，但有两点不同之处：工作原理类似于叠栅型存储单元，但有两点不同之处：1.闪速存储单元源极的区域闪速存储单元源极的区域Sn+大于漏极的区域大于漏极的区域Dn+，两，两区域不是对称的，使浮栅上的电子进行分级双扩散，电子扩区域不是对称的，使浮栅上的电子进行分级双扩散，电子扩散的速度远远大于叠栅型存储单元；散的速度远远大于叠栅型存储单元；2.叠栅存储单元的浮栅到叠栅存储单元的浮栅到P型衬底间的氧化物层约型衬底间的氧化物层约200埃左埃左右，而闪速存储单元的氧化物层更薄，约为右，而闪速存储单元的氧化物层更薄，约为100埃。埃。（四）、六管静态存储单元（四）、六管静态存储单元 闪速存储单元的可再编程能力约为闪速存储单元的可再编程能力约为10万次左右，但还是不万次左右，但还是不及及SRAM那样有无限制的再编程能力，以那样有无限制的再编程能力，以SRAM为存储单元的为存储单元的现场可编程门阵列（现场可编程门阵列（FPGA）可以实现无限次从一种运行逻辑）可以实现无限次从一种运行逻辑转换到另一种运行逻辑的功能。转换到另一种运行逻辑的功能。下图是下图是SRAM六管存储单元，由两个具有有源下拉六管存储单元，由两个具有有源下拉n沟道沟道晶体管和有源上拉晶体管和有源上拉p沟道晶体管交互耦合的倒相器组成。沟道晶体管交互耦合的倒相器组成。高和低电平是用具高和低电平是用具有分别到电源有分别到电源VCC和地和地GND的低阻抗通道的有的低阻抗通道的有源器件定义的两个电平。源器件定义的两个电平。D1、D2为两个传输为两个传输NMOS管，其栅极接到管，其栅极接到字线，源极分别接到两字线，源极分别接到两条互补的位线上，起传条互补的位线上，起传输作用。输作用。7-3 可编程只读存储器可编程只读存储器PROM和可编程逻辑阵列和可编程逻辑阵列PLA一、可编程只读存储器一、可编程只读存储器PROMPROM PROM的结构是的结构是与阵列固定与阵列固定、或阵列可编程或阵列可编程的的PLD器件，器件，对于有大量输入信号的对于有大量输入信号的PROM，比较，比较适合作为存储器适合作为存储器来存放来存放数据，它在计算机系统和数据自动控制等方面起着重要的作数据，它在计算机系统和数据自动控制等方面起着重要的作用。对于较少的输入信号组成的与阵列固定、或阵列可编程用。对于较少的输入信号组成的与阵列固定、或阵列可编程的器件中，也可以很方便地的器件中，也可以很方便地实现任意组合逻辑函数实现任意组合逻辑函数。例例1 1：下图是一个下图是一个8（字线）（字线）4（数据）的存储器数据阵列图。（数据）的存储器数据阵列图。EPROM有各种类型的产品，下图是紫外线擦除、电可编程的有各种类型的产品，下图是紫外线擦除、电可编程的EPROM2716器件逻辑框图和引脚图。器件逻辑框图和引脚图。EPROM2716是是2118位可改写位可改写存储器，有存储器，有11位地址线位地址线A0A10，产生字线为产生字线为2048条，条，D7D0是是8位数据输出位数据输出/输入线，编程或读输入线，编程或读操作时，数据由此输入输出。操作时，数据由此输入输出。CS为片选控制信号是低电平有效。为片选控制信号是低电平有效。OE/PGM为读出为读出/写入控制端低电平写入控制端低电平时输出有效，高电平进行编程，写时输出有效，高电平进行编程，写入数据入数据 若当若当EPROM2716的容量不能满足使用要求，且仅有的容量不能满足使用要求，且仅有2716芯片时，可用多片并联来扩展地址线和数据线。下图是芯片时，可用多片并联来扩展地址线和数据线。下图是将将2片片2716扩展成扩展成204816的数据位进行扩展连接示意图。的数据位进行扩展连接示意图。两片的数据线两片的数据线排列成排列成D0D15其余线全部并联。其余线全部并联。从组合电路角度来看从组合电路角度来看:输入地址信号即为电路的输入逻辑变量输入地址信号即为电路的输入逻辑变量地址译码器产生地址译码器产生2n个字线即为固定与阵列产生个个字线即为固定与阵列产生个2n乘积项乘积项存储矩阵即为或阵列把乘积存储矩阵即为或阵列把乘积项组合成项组合成m个逻辑函数输出。个逻辑函数输出。例例2：试用适当容量的：试用适当容量的PROM实现两个两位二进制数比较的比较器。实现两个两位二进制数比较的比较器。（1）两个两位二进制数分别为）两个两位二进制数分别为A1A0和和B1B0，当，当A1A0大于大于B1B0时，时，F11，A1A0等于等于B1B0时，时，F21，A1A0小于小于B1B0时，时，F31，下，下表给出了两位二进制和比较结果的输入输出对照表，表给出了两位二进制和比较结果的输入输出对照表，NOA1 A0 B1 B0F1 F2 F301234567891011121314150 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 1 00 0 10 0 10 0 11 0 00 1 00 0 10 0 11 0 01 0 00 1 00 0 11 0 01 0 01 0 00 1 0 由此可写出输出逻辑由此可写出输出逻辑函数的最小项表达式为：函数的最小项表达式为：F1 m（4,8,9,12,13,14）F2 m（0,5,10,15）F3 m（1,2,3,6,7,11）（2）把）把A1A0和和B1B0作为作为PROM的输入信号，的输入信号，F1、F2和和F3为或为或阵列的输出，下图是用阵列的输出，下图是用PROM实现比较器的阵列图。实现比较器的阵列图。（3）选用）选用PROM的容量的容量为为163位即可满足要求。位即可满足要求。以以PROM实现简单的组合逻实现简单的组合逻辑电路函数是很方便的辑电路函数是很方便的实际上，大多数组合逻辑函数的最小项不超过实际上，大多数组合逻辑函数的最小项不超过40个，则使得个，则使得PROM芯片的面积利用率不高，功耗增加。为解决这一问题，芯片的面积利用率不高，功耗增加。为解决这一问题，考虑与阵列也设计成可编程形式来实现组合逻辑，这就是可编考虑与阵列也设计成可编程形式来实现组合逻辑，这就是可编程逻辑阵列程逻辑阵列PLA。一般的一般的PROM输入的地输入的地址线都较多，容量也较大，址线都较多，容量也较大，又由于又由于PROM的与阵列固定，的与阵列固定，必须进行全译码，要产生全必须进行全译码，要产生全部的最小项。部的最小项。二、可编程逻辑阵列二、可编程逻辑阵列PLAPLA可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA和和PROM相比之下，有如下特点：相比之下，有如下特点：（一）（一）PROM是与阵列固定、或阵列可编程，而是与阵列固定、或阵列可编程，而PLA是与是与和或阵列全可编程。和或阵列全可编程。（二）（二）PROM与阵列是全译码的形式，而与阵列是全译码的形式，而PLA是根据需要是根据需要产生乘积项，从而减小了阵列的规模。产生乘积项，从而减小了阵列的规模。（三）（三）PROM实现的逻辑函数采用最小项表达式来描述；实现的逻辑函数采用最小项表达式来描述；而用而用PLA实现逻辑函数时，运用简化后的最简与或式，即实现逻辑函数时，运用简化后的最简与或式，即由与阵列构成乘积项，根据逻辑函数由或阵列实现相应乘由与阵列构成乘积项，根据逻辑函数由或阵列实现相应乘积项的或运算。积项的或运算。（四）在（四）在PLA中，对多输入、多输出的逻辑函数可以利用中，对多输入、多输出的逻辑函数可以利用公共的与项，因而，提高了阵列的利用率。公共的与项，因而，提高了阵列的利用率。例例4:4:试用试用PLA实现四位自然二进制码转换成四位格雷码。实现四位自然二进制码转换成四位格雷码。（1）设四位自然二进制码为）设四位自然二进制码为B3B2B1B0，四位格雷码为，四位格雷码为G3G2G1G0，其对应的真值表如下表所示。，其对应的真值表如下表所示。NOA1 A0 B1 B0G3 G2 G1 G001234567891011121314150 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 01 1 0 01 1 0 11 1 1 11 1 1 01 0 1 01 0 1 11 0 0 11 0 0 0根据表列出逻辑函数并简化，根据表列出逻辑函数并简化，得最简输出表达式如下：得最简输出表达式如下：33B G 23232BBBBG 12121BBBBG 01010BBBBG（2）转换器有四个输入信号，化简后需用到）转换器有四个输入信号，化简后需用到7个不同的乘积个不同的乘积项，组成项，组成4 个输出函数，故选用四输入的个输出函数，故选用四输入的74PLA实现，下实现，下图是四位自然二进制码转换为四位格雷码转换器图是四位自然二进制码转换为四位格雷码转换器PLA阵列图。阵列图。33B G 23232BBBBG 12121BBBBG 01010BBBBG7项项右图仅用了七个乘积项，比右图仅用了七个乘积项，比PROM全译码少用全译码少用9个，实现个，实现的逻辑功能是一样的。从而降低了芯片的面积，提高了芯的逻辑功能是一样的。从而降低了芯片的面积，提高了芯片的利用率，所以用它来实现多输入、多输出的复杂逻辑片的利用率，所以用它来实现多输入、多输出的复杂逻辑函数较函数较PROM有优越之处。有优越之处。PLA除了能实现各种组合电路外，还可以在或阵列之后接入除了能实现各种组合电路外，还可以在或阵列之后接入触发器组，作为反馈输入信号，实现时序逻辑电路。触发器组，作为反馈输入信号，实现时序逻辑电路。7-4 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PAL和和通用逻辑阵列通用逻辑阵列GAL一、可编程阵列逻辑器件一、可编程阵列逻辑器件PALPAL PAL采用双极型熔丝工艺，工作速度较高。采用双极型熔丝工艺，工作速度较高。PAL的结构的结构是与阵列可编程和或阵列固定，这种结构为大多数逻辑函数是与阵列可编程和或阵列固定，这种结构为大多数逻辑函数提供了较高级的性能，为提供了较高级的性能，为PLD进一步的发展奠定了基础。进一步的发展奠定了基础。（一）（一）PAL的基本结构的基本结构 PAL器件的输入、输出结构以及输入、输出的数目是由器件的输入、输出结构以及输入、输出的数目是由集成电路制造商根据实际设计情况大致估计确定。集成电路制造商根据实际设计情况大致估计确定。PAL器件器件的型号很多，它的典型输出结构通常有四种，其余的结构是的型号很多，它的典型输出结构通常有四种，其余的结构是在这四种结构基础上变形而来。在这四种结构基础上变形而来。1.专用输出基本门阵列结构专用输出基本门阵列结构一个输入一个输入四个乘积项且通过四个乘积项且通过或非门低电平输出或非门低电平输出 如输出采用或门，为高电平有效如输出采用或门，为高电平有效PAL器件。器件。若采用互补输出的或门，为互补若采用互补输出的或门，为互补输出器件。输出器件。输入信号输入信号四个整积项四个整积项2.可编程可编程I/O输出结构输出结构可编程可编程I/O结构如下图所示。结构如下图所示。8个乘积项个乘积项两个输入，一个来自外部两个输入，一个来自外部I，另一来自反馈，另一来自反馈I/O当最上面的乘积项为高电平时，三态当最上面的乘积项为高电平时，三态门开通，门开通，I/O可作为输出或反馈；乘积可作为输出或反馈；乘积项为低电平时，三态门关断，是输入。项为低电平时，三态门关断，是输入。3.寄存器型输出结构：也称作时序结构，如下图所示。寄存器型输出结构：也称作时序结构，如下图所示。8个乘积项个乘积项或门的输出通过或门的输出通过D触发器，触发器，在在CP的上升沿时到达输出。的上升沿时到达输出。触发器的触发器的Q端可以端可以通过三态缓冲器通过三态缓冲器送到输出引脚送到输出引脚触发器的反相端反馈回与触发器的反相端反馈回与阵列，作为输入信号参与阵列，作为输入信号参与更复杂的时序逻辑运算更复杂的时序逻辑运算CP和使能是和使能是PAL的公共端的公共端4.带异或门的寄存器型输出结构：带异或门的寄存器型输出结构：增加了一个异或门增加了一个异或门把乘积项分割成两把乘积项分割成两个和项个和项两个和项在触发器的输入端异或之后，两个和项在触发器的输入端异或之后，在时钟上升沿到来时存入触发器内在时钟上升沿到来时存入触发器内 有些有些PAL器件是由数个同一结构类型组成，有的则是由器件是由数个同一结构类型组成，有的则是由不同类型结构混合组成。不同类型结构混合组成。如由如由8个寄存器型输出结构组成的个寄存器型输出结构组成的PAL器件命名为器件命名为PAL16R8，由，由8个可编程个可编程I/O结构组成的结构组成的PAL器件则命名为器件则命名为PAL16L8。（二）（二）PAL16L8的使用的使用 PAL的例题请同学参看图的例题请同学参看图7-35、图、图7-36和例和例6。应用应用PAL16L8设计组合逻辑电路，主要步骤是将输出和激设计组合逻辑电路，主要步骤是将输出和激励写成最简与或表达式，然后确定励写成最简与或表达式，然后确定PAL16L8的引脚和编程。的引脚和编程。目前能够支持目前能够支持PAL的编程软件已相当成熟，芯片应用也的编程软件已相当成熟，芯片应用也很普及，但是由于其集成密度不高、编程不够灵活，且只能很普及，但是由于其集成密度不高、编程不够灵活，且只能一次编程，很难胜任功能较复杂的电路与系统。一次编程，很难胜任功能较复杂的电路与系统。二、通用阵列逻辑二、通用阵列逻辑GALGAL器件器件采用采用E2CMOS工艺和灵活的输出结构，有电擦写反复编程的特工艺和灵活的输出结构，有电擦写反复编程的特性。性。与与PAL相比，相比，GAL的输出结构配置了可以任意组态的输出逻辑的输出结构配置了可以任意组态的输出逻辑宏单元宏单元OLMC（Output Logic Macro Cell），），GAL和PAL在结构上的区别见下图：PAL结构GAL结构 适当地为OLMC进行编程，GAL就可以在功能上代替前面讨论过的PAL各种输出类型以及其派生类型（一）GAL器件结构和特点 GAL器件型号定义和PAL一样根据输入输出的数量来确定，GAL16V8中的16表示阵列的输入端数量，8表示输出端数量，V则表示输出形式可以改变的普通型1.GAL16V8的基本结构（下图）8个输入缓冲器8个输出反馈缓冲器一个共用时钟CLK8个输出缓冲器8个OLMC2.GAL输出逻辑宏单元OLMC的组成 输出逻辑宏单元OLMC 由或门、异或门、D触发器、多路选择器MUX、时钟控制、使能控制和编程元件等组成，如下图：组合输出时序输出3.输出逻辑宏单元OLMC组态 输出逻辑宏单元由对AC1(n)和AC0进行编程决定PTMUX、TSMUX、OMUX和FMUX的输出，共有5种基本组态：专用输入组态、专用输出组态、复合输入/输出组态、寄存器组态和寄存器组合I/O组态。8个宏单元可以处于相同的组态，或者有选择地处于不同组态。(1)专用输入组态：如下图所示：此时AC1(n)1，AC00，使TSMUX输出为0，三态输出缓冲器的输出呈现高电阻，本单元输出功能被禁止，I/O可以作为输入端，提供给相邻的逻辑宏单元。本级输入信号却来自另一相邻宏单元。(2)专用输出组态：如下图所示：AC1(n)0，AC00，四路反馈数据选择器FMUX输出接在低电平，本单元的反馈信号和相邻单元的信号都被阻断 由于或非门，使异或门的输出不经过D触发器，直接由处于使能状态的三态门输出由于与非门输出使第一条乘积项经过乘积项数据选择器作为或门的输入(4)寄存器组态：当AC1(n)0，AC01时，如下图所示。（3）同学自学此时OMUX选中触发器的输出同相Q端作为输出信号，反馈输入信号来自D触发器的反相端或门的输入有8个乘积项OE、CLK作为输出缓冲器的使能信号和时钟，作为公共端4.GAL是继PAL之后具有较高性能的PLD，和PAL相比，具有以下特点：(1)有较高的通用性和灵活性：它的每个逻辑宏单元可以根据需要任意组态既可实现组合电路，又可实现时序电路。(2)100可编程：GAL采用浮栅编程技术，使与阵列以及逻辑宏单元可以反复编程，当编程或逻辑设计有错时，可以擦除重新编程、反复修改，直到得到正确的结果，因而每个芯片可100编程。(3)100%可测试：GAL的宏单元接成时序状态，可以通过测试软件对它门的状态进行预置，从而可以随意将电路置于某一状态，以缩短测试过程，保证电路在编程以后，对编程结果100可测。(4)高性能的E2COMS工艺：使GAL的高速度、低功耗，编程数据可保存20年以上。正是由于这些良好的特性，使GAL器件成为数字系统设计的初期理想器件。（二）GAL器件的编程方法和应用 对GAL编程是设计电路的最后一个环节。除了对与阵列编程之外，还要对逻辑宏单元进行编程，以达到预定的输出逻辑关系。这样应当具备GAL编程的开发系统：软件开发平台和硬件编程设备，而软件平台是不可缺少的。目前GAL的编程方法有两种：一种是早期的GAL器件编程需要使用专门的编程器，将需要编程的GAL器件插入编程器进行编程，然后将编程后的GAL器件连接在设计者的设计系统。另一种是新一代的GAL器件，可以脱离开编程器，直接在设计者的电路系统上编程。另一类是编译软件，如Synario软件平台，这类软件的特点是待实现的逻辑电路是由设计者根据软件平台规定的图形输入文件或可编程逻辑设计语言编写的语言输入文件进行描述，然后软件平台对设计者的电路进行描述转换，分析，简化，模拟仿真、自动进行错误定位等。GAL的开发软件有许多种，大体上分为两类：一类是汇编型软件，如FM，这类软件没有简化功能，要求输入文件采用最简与或式的逻辑描述方式；同学自行学习GAL例题。GAL器件仍然存在着以下问题：时钟必须共用；或的乘积项最多只有8个；GAL器件的规模小，达不到在单片内集成一个数字系统的要求；尽管GAL器件有加密的功能，但随着解密技术的发展，对于这种阵列规模小的可编程逻辑器件解密已不是难题。7-5 高密度高密度可编程逻辑器件可编程逻辑器件HDPLD原理及应用原理及应用 HDPLD（High Density Programmable Logic Device）在单片芯片内可以集成成千上万个等效门，因此在单片高密度可编程逻辑器件内集成数字电路系统成为可能。HDPLD器件在结构上仍延续GAL的结构原理，因而还是电擦写、电编程的EPLD器件。一、在系统编程芯片一、在系统编程芯片EPM7128SEPM7128S的基本结构的基本结构在系统编程芯片EPM7128S是Altera公司生产的高密度、高性能CMOS可编程逻辑器件之一，下图是PLCC封装84端子的引脚图它有4个直接输入（INPUT）TMS、TDI、TDO和TCK是在系统编程引脚64个I/O引脚下图是EPM7128S器件结构图：由8个相似的逻辑阵列块（Logic Array Block,LAB）、一个可编程内连矩阵（PIA）和多个输入/输出控制块(I/O Block)组成。二、二、EPM7128SEPM7128S的特点的特点（一）高集成密度;（二）速度高、低功耗、抗噪声容限较大;（三）在系统编程能力;（四）可测试性能力;（五）线或功能;（六）异步时钟、异步清除功能;（七）单片多系统能力；（八）很强的加密能力7-6 现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA 前面讨论的可编程逻辑器件基本组成部分是与阵列、或阵列和输出电路。再加上触发器则可实现时序电路 本节介绍的FPGA（Field Programmable Gate Array）不像PLD那样受结构的限制，它可以靠门与门的连接来实现任何复杂的逻辑电路，更适合实现多级逻辑功能。陆续推出了新型的现场可编程门阵列FPGA。功能更加丰富，具有基本逻辑门电路、传输外部信号的输入/输出电路和可编程内连资源之外，还具有很高的密度等等。一、现场可编程门阵列一、现场可编程门阵列FPGAFPGA结构结构 FPGA的编程单元是基于静态存储器（SRAM）结构，从理论上讲，具有无限次重复编程的能力 下面介绍XILINX公司的XC4000E系列芯片，了解FPGA内部各个模块的功能，见下图：可配置逻辑模块CLB输入/输出模块I/OB可编程连线PI编程开关矩阵PSM四、现场可编程门阵列四、现场可编程门阵列FPGAFPGA的特点的特点 （一）SRAM结构：可以无限次编程，但它属于易失性元件，掉电后芯片内信息丢失；通电之后，要为FPGA重新配置逻辑，FPGA配置方式有七种，请读者参考有关文献。（二）内部连线结构：HDPLD的信号汇总于编程内连矩阵，然后分配到各个宏单元，因此信号通路固定，系统速度可以预测。而FPGA的内连线是分布在CLB周围，而且编程的种类和编程点很多，使得布线相当灵活，因此在系统速度方面低于HDPLD的速度。（三）芯片逻辑利用率：由于FPGA的CLB规模小，可分为两个独立的电路，又有丰富的连线，所以系统综合时可进行充分的优化，以达到逻辑最高的利用。（四）芯片功耗：高密度可编程逻辑器件HDPLD的功耗一般在0.5W2.5W之间，而FPGA芯片功耗0.25mW5mW，静态时几乎没有功耗，所以称FPGA为零功耗器件。7-7 随机存取存储器随机存取存储器（SRAM）在计算机及数据处理系统中需要存放大量数据、中间结果、表格等设备，这就是随机存取存储器SRAM。RAM可分为单极型和双极型：双极型工作速率高，但是集成度不如单极型的高，目前，由于工艺水平的不断提高，单极型RAM的速率已经可以和双极型RAM相比，而且单极型RAM具有功耗低的优点。这里只以单极型RAM为例进行分析 单极型RAM又可分为静态RAM与动态RAM：静态RAM是用MOS管触发器来存储代码，所用MOS管较多、集成度低、功耗也较大。动态RAM是用栅极分布电容保存信息，它的存储单元所需要的MOS管较少，因此集成度高、功耗也小。静态RAM使用方便，不需要刷新一、一、RAMRAM的基本结构的基本结构 RAM的基本结构如下图所示的三个部分：存储矩阵、地址译码器 和读写电路地址片选信号读写控制信号数据输入和输出信号 下图是二元寻址的M字1位RAM结构图，它的存储矩阵是位，地址译码器分行译码器和列译码器，只有行及列共同选中的单元才能进行读、写。这种寻址的方式所需要行线和列线的总数较少。例如要存储256字1位的容量，采用一元寻址就需要256条字线，若采用二元寻址只需=16，=16，共32条线也就可以了。二、存储单元二、存储单元 RAM中的存储单元可由双极型管组成，也可由MOS管组成。MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管单元大多工作于静态。（一）MOS静态单元如下图所示：T0、T1、T2及T3构成R-S触发器，T4及T5是行选管，是一行中公用的T6及T7是列选管，是一列公用的001当使能为低电平，写也为低电平时，三态门2将输入数据Di通过T6、T4作用于T3栅极，同时将Di的互补值通过T7及T5作用于T2的栅极，从而使触发器按Di翻转，完成写入。（二）动态MOS存储单元如下图这是一动态存储单元，靠栅极电容C1及C2存储电荷。如要写入“1”，只需在数据线D上作用“1”便可以给C2充上足够的电荷，而C1则不被充电，表示记入了“1”当刷新端加高电压时，负载管T3、T4导通，同时行线加高电压使T6、T5也导通，构成R-S触发器，触发器的状态由C1及C2中的电压决定栅极电容保留信息只有一段时间，需定期地给它刷新，以免信息丢失，所以在每一行上设有刷新电路。当X、Y线均为高电平时，T5、T6、T7及T8都导通，此单元接至数据线，3.PROM是编程只读存储器，可用来存储程序、固定数据，程序及数据是以二进制码的形式事先存入PROM中，它们不会丢失;小小 结结1.存储器分为RAM 和ROM；2.RAM是随机存取存储器分动态和静态；4.PROM除了存储数据外，还可以编程逻辑函数;5.编程逻辑函数的器件还包括EPROM、PLA、PAL和GAL等。6.HDPLD分为EPLD和FPGA;7.EPLD实现组合逻辑函数是从任何组合逻辑电路均可表示为与或表达式，加上触发器可实现时序电路的原理出发而构成;作业：7-1，7-2，7-3，7-4，7-6，7-7，7-8，7-10，7-11，7-12，7-13，7-14，7-17，7-18，7-21，7-22，7-26，7-31