第八章-可编程逻辑器件教材课件

数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版第八章 可编程逻辑器件数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版第八章第八章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD,Programmable Logic DevicePLD,Programmable Logic Device）8.1 8.1 概述概述一、一、PLDPLD的基本特点的基本特点1.1.数字集成电路从功能上有分为通用型、专用型两大类数字集成电路从功能上有分为通用型、专用型两大类2.PLD2.PLD的特点：是一种按通用器件来生产，但逻辑功能是由的特点：是一种按通用器件来生产，但逻辑功能是由用户通过对器件编程来设定的用户通过对器件编程来设定的数字系统数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、二、PLDPLD的发展和分类的发展和分类PROMPROM是最早的是最早的PLDPLD1.1.PAL PAL 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑2.2.FPLA FPLA 现场可编程阵列逻辑现场可编程阵列逻辑3.3.GAL GAL 通用阵列逻辑通用阵列逻辑4.4.EPLD EPLD 可擦除的可编程逻辑器件可擦除的可编程逻辑器件5.5.FPGA FPGA 现场可编程门阵列现场可编程门阵列6.6.ISP-PLD ISP-PLD 在系统可编程的在系统可编程的PLDPLD数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三、三、LSILSI中用的逻辑图符号中用的逻辑图符号数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.2 8.2 现场可编程逻辑阵列现场可编程逻辑阵列 FPLAFPLA组合电路和时序电路结构的通用形式组合电路和时序电路结构的通用形式A0An-1W0W(2n-1)D0Dm数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.2 FPLA8.2 FPLA组合电路和时序电路结构的通用形式组合电路和时序电路结构的通用形式数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.3 PAL8.3 PAL（Programmable Array LogicProgrammable Array Logic）8.3.1 PAL8.3.1 PAL的基本电路结构的基本电路结构一、基本结构形式一、基本结构形式可编程可编程“与与”阵列阵列+固定固定“或或”阵列阵列+输出电路输出电路最简单的形式为：最简单的形式为：二、编程单元二、编程单元出厂时，出厂时，所有的交叉点均有熔丝所有的交叉点均有熔丝数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.3.2 PAL8.3.2 PAL的输出电路结构和反馈形式的输出电路结构和反馈形式一一.专用输出结构专用输出结构用途：产生组合逻辑电路用途：产生组合逻辑电路数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二二.可编程输入可编程输入/输出结构输出结构用途：组合逻辑电路，用途：组合逻辑电路，有三态控制可实现总线连接有三态控制可实现总线连接可将输出作输入用可将输出作输入用数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三三.寄存器输出结构寄存器输出结构用途：产生时序逻辑电路用途：产生时序逻辑电路数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版四四.异或输出结构异或输出结构时序逻辑电路时序逻辑电路还可便于对还可便于对“与与-或或”输出求反输出求反数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版五五.运算反馈结构运算反馈结构时序逻辑电路时序逻辑电路可产生可产生A、B的十六种算术、逻辑运算的十六种算术、逻辑运算数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.3.3 PAL8.3.3 PAL的应用举例的应用举例数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2、输出结构类型太多，给设计和使用带来不便。、输出结构类型太多，给设计和使用带来不便。2、输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元（、输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元（OLMC）通过通过编程可将编程可将OLMC设置成不同的工作状态，即一片设置成不同的工作状态，即一片GAL便可实便可实现现PAL 的的5种输出工作模式。器件的通用性强；种输出工作模式。器件的通用性强；GAL的优点：的优点：1、由于采用的是双极型熔丝工艺，一旦编程后不能修改；、由于采用的是双极型熔丝工艺，一旦编程后不能修改；PAL的不足：的不足：1、采用电可擦除的、采用电可擦除的E2CMOS工艺可以多次编程；工艺可以多次编程；3、GAL工作速度快，功耗小工作速度快，功耗小数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.4 8.4 通用逻辑阵列通用逻辑阵列 GALGAL8.4.1 8.4.1 电路结构形式电路结构形式可编程可编程“与与”阵列阵列 +固定固定“或或”阵列阵列 +可编程输出可编程输出电路电路OLMCOLMC编程单元编程单元采用采用E E2 2CMOS CMOS 可改写可改写数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版 GAL的电路结构与的电路结构与PAL类似，由可编程的与逻辑阵列、类似，由可编程的与逻辑阵列、固定的或逻辑阵列和输出电路组成，但固定的或逻辑阵列和输出电路组成，但GAL的输出端增设了的输出端增设了可编程的的输出逻辑宏单元（可编程的的输出逻辑宏单元（OLMC）。）。通过编程可将通过编程可将OLMC设置为不同的工作状态，可实现设置为不同的工作状态，可实现PAL的所有输出结构，的所有输出结构，产生组合、时序逻辑电路输出。产生组合、时序逻辑电路输出。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版可编程与阵列可编程与阵列（32X64位）位）2、GAL举例举例GAL16V8的电路结构图的电路结构图8个个输输入入缓缓冲冲器器298个反馈个反馈/输入输入缓冲器缓冲器8个三态个三态输出缓冲输出缓冲器器12198个输出逻辑宏单个输出逻辑宏单元元OLMC输出使能缓输出使能缓冲器冲器数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版可编程逻辑器件中的宏单元可编程逻辑器件中的宏单元数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.4.2 OLMC8.4.2 OLMC数据选择器数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版数据选择器数据选择器数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版乘积项数据选乘积项数据选择器择器(2(2选选1)1)输出数据选择输出数据选择器器(2(2选选1)1)三态数据选择器三态数据选择器(4(4选选1)1)反馈数据选择反馈数据选择器器(4(4选选1)1)4 4个数据选择器：用不同的控制字实现不同的输出电路结构形式个数据选择器：用不同的控制字实现不同的输出电路结构形式数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版乘积项数据选择器：乘积项数据选择器：根据根据AC0和和AC1(n)决定与逻辑阵列的第一乘决定与逻辑阵列的第一乘积项是否作为或门的一个输入端。只有在积项是否作为或门的一个输入端。只有在G1的输出为的输出为1时，第一乘时，第一乘积项是或门的一个输入端。积项是或门的一个输入端。乘积项数据选择器乘积项数据选择器(2选选1)数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版OMUX：根据根据AC0和和AC1(n)决定决定OLMC是组合输出还是寄存器是组合输出还是寄存器输出模式输出模式输出数据选择器输出数据选择器(2选选1)OMUX数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版三态数据选择器三态数据选择器(4(4选选1)1)三态数据选择器受三态数据选择器受AC0和和AC1(n)的控制，用于选择的控制，用于选择输出三态缓冲器的选通信输出三态缓冲器的选通信号。可分别选择号。可分别选择VCC、地、地、OE和第一乘积项。和第一乘积项。工作AC0 AC1(n)TX（输出）输出）0 1地电平地电平0 0VCC1 0OE1 1第一乘积项第一乘积项工作工作高阻高阻OE=1，工作工作OE=0，高阻，高阻1，工作工作0，高阻，高阻三态缓冲器三态缓冲器的工作状态的工作状态数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版FMUX：根据根据AC0和和AC1(n)的不同编码，使反向传输的电信号也对应不同的不同编码，使反向传输的电信号也对应不同。反馈数据选择器反馈数据选择器(4选选1)OMUX数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版功功 能能组合组合SYNSYNAC0AC0AC1(AC1(n)n)XOR(XOR(n)n)输出相位输出相位备备 注注专用输入专用输入1 10 01 1 1 1，1111脚为数据输入端，输出三脚为数据输入端，输出三态门禁止态门禁止 专用组合输专用组合输出出1 10 00 00 01 1反相反相同相同相1 1，1111脚为数据输入端，组合输脚为数据输入端，组合输出，三态门选通出，三态门选通 反馈组合输反馈组合输出出1 11 11 10 01 1反相反相同相同相同上，三态门由第一乘积项选通，同上，三态门由第一乘积项选通，反馈取自反馈取自I/OI/O口口时序电路中的时序电路中的组合输出组合输出0 01 11 10 01 1反相反相同相同相1 1脚接脚接CPCP，1111脚接脚接OEOE，该宏单元该宏单元为组合输出，但至少有一个宏单为组合输出，但至少有一个宏单元为寄存器输出元为寄存器输出寄存器输出寄存器输出0 01 10 00 01 1反相反相同相同相1 1脚接脚接CPCP，1111接接OEOE数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版1.通用阵列逻辑（通用阵列逻辑（GAL）在在PLA和和PAL基础上发展起来的增强型器件基础上发展起来的增强型器件.电路设计者可根据电路设计者可根据需要编程，对宏单元的内部电路进行不同模式的组合，从而使输需要编程，对宏单元的内部电路进行不同模式的组合，从而使输出功能具有一定的灵活性和通用性。出功能具有一定的灵活性和通用性。2.复杂可编程逻辑器件（复杂可编程逻辑器件（CPLD）集成了多个逻辑单元块，每个逻辑块就相当于一个集成了多个逻辑单元块，每个逻辑块就相当于一个GAL器件。器件。这些逻辑块可以通过共享可编程开关阵列组成的互连资源，实现这些逻辑块可以通过共享可编程开关阵列组成的互连资源，实现它们之间的信息交换，也可以与周围的它们之间的信息交换，也可以与周围的I/O模块相连，实现与芯片模块相连，实现与芯片外部交换信息。外部交换信息。数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版5.GAL的编程与开发的编程与开发软件工具软件工具硬件工具硬件工具数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.5 8.5 可擦除的可编程逻辑阵列可擦除的可编程逻辑阵列EPLDEPLD一、结构特点一、结构特点相当于相当于“与与-或或”阵列（阵列（PALPAL）+OLMC+OLMC二、采用二、采用EPROMEPROM工艺工艺 集成度提高集成度提高 数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.7 8.7 现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGAFPGA一、基本结构一、基本结构1.IOB2.CLB3.互连资源4.SRAM数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版1.IOB1.IOB可以设置为输入可以设置为输入/输出；输出；输入时可设置为：同步（经触发器）输入时可设置为：同步（经触发器）异步（不经触发器）异步（不经触发器）数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版2.CLB2.CLB本身包含了组合电路和触发器，可构成小的时序电路本身包含了组合电路和触发器，可构成小的时序电路将许多将许多CLB组合起来，可形成大系统组合起来，可形成大系统数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版3.3.互连资源互连资源数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版4.SRAM4.SRAM分布式分布式每一位触发器控制一个编程点每一位触发器控制一个编程点数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、编程数据的装载二、编程数据的装载1.数据可先放在数据可先放在EPROM或或PC机中机中2.通电后，自行启动通电后，自行启动FPGA内部的一内部的一个时序控制逻辑电路，将在个时序控制逻辑电路，将在EPROM中存放的数据读入中存放的数据读入FPGA的的SRAM中中3.“装载装载”结束后，进入编程设定的结束后，进入编程设定的工作状态工作状态！每次停电后，SRAM中数据消失下次工作仍需重新装载数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.8 8.8 在系统可编程通用数字开关（在系统可编程通用数字开关（ispGDSispGDS）ispGDS22ispGDS22的的结构框图结构框图数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版8.9 PLD8.9 PLD的编程的编程以上各种以上各种PLDPLD均需离线进行编程操作，使用开发系统均需离线进行编程操作，使用开发系统一、开发系统一、开发系统1.1.硬件：计算机硬件：计算机+编程器编程器2.2.软件：开发环境（软件平台）软件：开发环境（软件平台）VHDL,VHDL,VerilogVerilog真值表，方程式，电路逻辑图（真值表，方程式，电路逻辑图（SchematicSchematic）状态转换图（状态转换图（FSMFSM）数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版二、步骤二、步骤 抽象（系统设计采用抽象（系统设计采用Top-DownTop-Down的设计方法）的设计方法）选定选定PLDPLD 选定开发系统选定开发系统 编写源程序（或输入文件）编写源程序（或输入文件）调试，运行仿真，产生下载文件调试，运行仿真，产生下载文件 下载下载 测试测试数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第五版第五版ispisp器件的编程接口（器件的编程接口（LatticeLattice）开发环境 使用使用ispPLDispPLD的优点：的优点：*不再需要专用编程器不再需要专用编程器*为硬件的软件化提供可能为硬件的软件化提供可能*为实现硬件的远程构建提供可能为实现硬件的远程构建提供可能