数字逻辑教学课件数字电路5

第五章第五章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 PLDPLD可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLDPLD（Programmable logic DeviceProgrammable logic Device) )，是由用，是由用户自己编程来决定最终逻辑功能和结构的器件。户自己编程来决定最终逻辑功能和结构的器件。为什么使用为什么使用PLD？将这些部件放在一个芯将这些部件放在一个芯片片FPGA中。中。现代数字系统由三种积木块构成：现代数字系统由三种积木块构成：CPUCPUPLDPLDRAMRAMPLA ( Programmable Logic Array）； PAL ( Programmable Array Logic）；GAL ( Generic Array Logic）； ISP（In System Porgrammable) ； CPLD （Complex Programmable Logic Device）； FPGA（Field Programmable Gates Array）；SoPC（System On a Programmable Chip ）PLD低密度可编程低密度可编程逻辑器件逻辑器件LDPLDPROMCPLDFPGAGALPLAPAL高密度可编程高密度可编程逻辑器件逻辑器件HDPLDHigh Density PLD按集成度分类按集成度分类PLDPLD：PLD的基本结构的基本结构5.1 PLD5.1 PLD的基本概念的基本概念BCAAA1. 基本门电路的基本门电路的PLD表示法表示法硬 连 线断 开 连 接由图可得由图可得 Y1 = ABC + ABC + ABC Y2 = ABC + ABC Y3 = ABC + ABC例例如如 ABCY3Y2Y1 与阵列与阵列或阵列或阵列2 2 按可编程的部位分类按可编程的部位分类PLDPLD：类型类型与阵列与阵列 或阵列或阵列 输出电路输出电路PROM ( 即可编程即可编程 ROM )固定固定可编程可编程固定固定PLA ( 即即 ProgrammableLogic Array，可编程逻辑阵列，可编程逻辑阵列 )可编程可编程 可编程可编程固定固定PAL ( 即即 ProgrammableArray Logic，可编程阵列逻辑，可编程阵列逻辑 )可编程可编程固定固定固定固定GAL ( 即即Generic Array Logic，通用阵列逻辑通用阵列逻辑 )可编程可编程固定固定可组态可组态ABCY3Y2Y1 与阵列与阵列或阵列或阵列PLD熔丝熔丝或或反熔丝反熔丝编程编程掩膜掩膜编程编程浮栅浮栅编程编程静态静态存储器存储器编程编程ROMEPLDCPLD FPGAFPGAGALPROMPAL按编程方法分类按编程方法分类PLDPLD：先设计、再仿真，看占用资源数，最后去买器件先设计、再仿真，看占用资源数，最后去买器件.2. 可编程器件的可编程器件的PLD表示表示1) PROM全译码全译码实现组合逻辑的实现组合逻辑的最小项表达式最小项表达式用PROM构成一个将 4 位二进制码转换为格雷码的逻辑电路。列转换的真值表0 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 1B3 B2 B1 B0 G3 G2 G1 G00000000011111111011001100110011000111100001111000000111111110000)14,13,10, 9 , 6 , 5 , 2 , 1 ()13,12,11,10, 5 , 4 , 3 , 2()11,10, 9 , 8 , 7 , 6 , 5 , 4()15,14,13,12,11,10, 9 , 8(0123mGmGmGmG需要需要ROM容量：容量：164B0B0)14,13,10, 9 , 6 , 5 , 2 , 1 ()13,12,11,10, 5 , 4 , 3 , 2()11,10, 9 , 8 , 7 , 6 , 5 , 4()15,14,13,12,11,10, 9 , 8(0123mGmGmGmG译码器译码器存储体存储体PALS and GALsmacrocellCPLD器件 FPGA器件目前，使用较广泛的目前，使用较广泛的PLD有有CPLD和和FPGA两大类。两大类。5.2 现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA CPLD 可编程逻辑阵列块可编程逻辑阵列块LABLAB，L Logic ogic A Array rray B Blocklock（与或结构较复杂）（与或结构较复杂） 可编程可编程I/OI/O模块（模块（I/OI/O C Cellell） 可编程内部连线（可编程内部连线（PIAPIA:programmable interconnect array）（固）（固定长度的金属线）定长度的金属线） 内部延时时间固定，可预测内部延时时间固定，可预测I/OPIAI/OI/OI/OI/OI/OLogic arrayblock (LAB)SPLDLogic arrayblock (LAB)SPLDLogic arrayblock (LAB)SPLDLogic arrayblock (LAB)SPLDLogic arrayblock (LAB)SPLDLogic arrayblock (LAB)SPLDMacrocells15 expander productterms from othermacrocells36 linesfrom PIASharedexpanderParallel expandersfrom othermacrocellsTo I/OProduct-termselectionmatrixD/TCENPRECLRQMUX 1MUX 2MUX 3VCCMUX 4MUX 5FromI/OGlobalclearGlobalclockFPGAFPGA 可编程逻辑功能块可编程逻辑功能块 CLBCLB（C Cell ell L Logic ogic B Blocklock），实现用户功能的），实现用户功能的基本单元，由基本单元，由“查找表查找表LUT(look up tableLUT(look up table）（16161 1的的SRAMSRAM作为作为函数发生器函数发生器) )触发器触发器进位控制逻辑进位控制逻辑”构成。构成。 可编程可编程I/OI/O模块（模块（IOBIOB） 可编程互连资源（可编程互连资源（PIR( PIR( global interconnects、 local interconnects ) ) )（不同长度的金属线）（不同长度的金属线） 内部延时时间不固定，预测性差内部延时时间不固定，预测性差C CL LB BI IR RI IO OB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BC CL LB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IO OB BI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RI IR RCPLDCPLDFPGAFPGA内部结构内部结构ProductProducttermtermLookLookup Tableup Table程序存储程序存储内部内部E E2 2PROM(flash)PROM(flash)SRAMSRAM，外挂，外挂E E2 2PROMPROM资源类型资源类型组合电路资源丰富组合电路资源丰富触发器资源丰富触发器资源丰富集成度集成度低低高高使用场合使用场合完成控制逻辑完成控制逻辑能完成比较复杂的算法能完成比较复杂的算法速度速度慢慢快快其他资源其他资源EABEAB（Embeded Array Block Embeded Array Block 嵌入式阵列块），锁相环嵌入式阵列块），锁相环保密性保密性可加密可加密一般不能保密一般不能保密5.3 在系统可编程在系统可编程ISP一一. 在系统可编程技术在系统可编程技术（ISP） 传统的传统的PLDPLD在用于生产时，是先编程后装配。在用于生产时，是先编程后装配。 ispisp则可以在装配之前、装配过程中和装配之后再编程。则可以在装配之前、装配过程中和装配之后再编程。二、二、ispLSI 1032的结构和特点的结构和特点1. ispLSI 1032的主要特点：的主要特点：与或阵列结构，集成密度为与或阵列结构，集成密度为6000等效门；等效门；是电擦写是电擦写CMOS（E2CMOS）器件；）器件；有有84个引脚，其中个引脚，其中64个是个是I/O引脚，引脚，8个是专用输入引个是专用输入引脚，脚，4个时钟输入引脚，个时钟输入引脚，1个专用编程控制引脚等；个专用编程控制引脚等；最大工作频率最大工作频率 fmax = 90 MHz。触发器触发器192个个4个巨块（包括个巨块（包括GLB、ORP、IOC）2、 ispLSI 1032的体系结构：的体系结构：全局布线区全局布线区 GRP (Global Routing Pool)、32个通用逻辑块个通用逻辑块 GLB （Generic Logic Block )、输出布线区输出布线区ORP （Output Routing Pool） 、输入输出单、输入输出单元元IOC （I/ cell） 、和时钟分配网络和时钟分配网络 CDN （Clock Distribution Network)等构成等构成。GLBGLB： ispLSI ispLSI 内部的基本逻辑单元，是最关键的部件，内部的基本逻辑单元，是最关键的部件，系统的逻辑功能主要由它来实现。系统的逻辑功能主要由它来实现。GRPGRP：是可编程连线网络。实现芯片内所有逻辑块及是可编程连线网络。实现芯片内所有逻辑块及 IOC IOC 相互连接。特点是输入、输出之间的延迟是恒定和可预相互连接。特点是输入、输出之间的延迟是恒定和可预知的。知的。 ORP ORP ：实现实现 GLB GLB 和和 IOC IOC 之间互连的可编程互连阵列。之间互连的可编程互连阵列。I/O Cell I/O Cell ：具有输入、输出和双向具有输入、输出和双向 I I/ /O O 三种模式，每一三种模式，每一种模式又有多种不同方式，可通过编程来进行选择。种模式又有多种不同方式，可通过编程来进行选择。CDN CDN ：通过编程提供各部分所需的时钟。通过编程提供各部分所需的时钟。