组合可编程逻辑器课件

组合可编程逻辑器一、数字电路的发展与可编程器件的出现一、数字电路的发展与可编程器件的出现概概 述述集成度：集成度：高效、低耗、高精度、高稳定、智能化。高效、低耗、高精度、高稳定、智能化。VLSICLSICSSICMSIC4.5 组合可编程逻辑器件组合可编程逻辑器件组合可编程逻辑器专用型：专用型：ASIC（Application Specific Integratel Circuit)逻辑功能逻辑功能：通用型：通用型：54/74系列、系列、74HC系列、系列、74HCT系列等系列等随系统规模扩大：随系统规模扩大：焊点多，可靠性下降焊点多，可靠性下降功耗增加、成本升高功耗增加、成本升高占用空间扩大占用空间扩大要承担设计风险、要承担设计风险、周期长、成本高周期长、成本高可编程器件可编程器件 (PLD : Programmable Logic Device ）系统设计师们希望自己设计系统设计师们希望自己设计 ASICASIC芯片，缩短设计周期，芯片，缩短设计周期，能在实验室设计好后，立即投入实际应用。能在实验室设计好后，立即投入实际应用。VLSIC组合可编程逻辑器二、二、PLD的发展态势的发展态势n向低电压和低功耗方向发展，向低电压和低功耗方向发展， 5V 3.3V 2.5V 1.8V 更低更低n向高集成度、高速度方向发展向高集成度、高速度方向发展 集成度已达到集成度已达到400万门以上万门以上n向数、模混合可编程方向发展向数、模混合可编程方向发展n向内嵌多种功能模块向内嵌多种功能模块方向发展方向发展 RAM，ROM，DSP，CPU等等组合可编程逻辑器PROMPLAPALGAL低密度可编程逻辑器件低密度可编程逻辑器件（LDPLD）EPLDCPLDFPGA高密度可编程逻辑器件高密度可编程逻辑器件（HDPLD）可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD）按集成密度划分为按集成密度划分为三、可编程逻辑器件的分类三、可编程逻辑器件的分类组合可编程逻辑器4.5.1 PLD的结构、表示方法的结构、表示方法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 可由或阵列直接输出，构成组合输出；可由或阵列直接输出，构成组合输出； 通过寄存器输出，构成时序方式输出通过寄存器输出，构成时序方式输出。1、PLD的基本结构的基本结构组合可编程逻辑器输 出 或门阵列 与门阵列 输 入 B A Y Z (b) 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互补互补输入输入组合可编程逻辑器2. 2. PLD的的逻辑符号表示方法逻辑符号表示方法(1)(1) 连接的方式连接的方式 硬线连接单元硬线连接单元 被被编编程程擦擦除除单单元元 被编程接通单元被编程接通单元 组合可编程逻辑器(2)(2)基本门电路的表示方式基本门电路的表示方式L=A+B+C+ DDA BCF1=ABC与门与门或门或门A B C DF1 AB C& L AB C1L DF1=A+B+C+D 组合可编程逻辑器 L4 A B A B L3 A B A B L3 A B A B A A A A EN EN 三态输出缓冲器三态输出缓冲器输出恒等于输出恒等于0 0的与门的与门输出为输出为1 1的与门的与门 A A A 输入缓冲器输入缓冲器组合可编程逻辑器(3) (3) 编程连接技术编程连接技术 A L B C D L VCC A B C D 熔丝熔丝 PLD表示的与门表示的与门熔丝工艺的与门原理图熔丝工艺的与门原理图L=ABC组合可编程逻辑器VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 高电平高电平A、B、C有一个输入低电平有一个输入低电平0VA、B、C三个都输入高电平三个都输入高电平+5V5V0V5V低电平低电平5V5V5VL=ABC L VCC A B C D L VCC A B C D L=AB组合可编程逻辑器 L T1 T2 T3 T4 A B C D VCC 连接连接连接连接连接连接断开断开A、B、C 中有一个为中有一个为0A、B、C 都为都为1输出为输出为0；输出为输出为1。L=AC断开断开连接连接连接连接断开断开L=ABCXX器件的开关状态不同器件的开关状态不同, 电路实现逻辑函数也就不同电路实现逻辑函数也就不同1 0 11 1 1组合可编程逻辑器(4) (4) 浮浮栅栅MOS管开关管开关用不同的浮栅用不同的浮栅MOS管连接的管连接的PLD，编程信息的擦除方法，编程信息的擦除方法也不同。也不同。SIMOS管连接的管连接的PLD，采用紫外光照射擦除；，采用紫外光照射擦除；Flotox MOS管和快闪叠栅管和快闪叠栅MOS管，采用电擦除方法。管，采用电擦除方法。浮浮栅栅MOS管管叠栅注入叠栅注入MOS(SIMOS)管管浮栅隧道氧化层浮栅隧道氧化层MOS(Flotox MOS)管管快闪快闪(Flash)叠栅叠栅MOS管管组合可编程逻辑器 当浮栅上带有负电荷时，使得当浮栅上带有负电荷时，使得MOS管的开启电压变高，如管的开启电压变高，如果给控制栅加上果给控制栅加上VT1控制电压，控制电压，MOS管仍处于截止状态。管仍处于截止状态。 当浮栅上没有电荷时，给控制栅加上大于当浮栅上没有电荷时，给控制栅加上大于VT1的控制电压的控制电压 ，MOS管导通。管导通。a.叠栅注入叠栅注入MOS(SIMOS)管管 25V25VGND5V5VGND iD VT1 VT2 vGS 浮栅无电子 O 编程前 iD VT1 VT2 vGS 浮栅无电子 浮栅有电子 O 编程前 编程后 组合可编程逻辑器5V5VGND5V5VGND导通导通截止截止若要擦除，可用若要擦除，可用紫外线或紫外线或X射线，距管子射线，距管子2厘米处照射厘米处照射15-20分钟。分钟。组合可编程逻辑器 L T1 T2 T3 T4 A B C D VCC L=BC连接连接连接连接断开断开断开断开连接连接连接连接断开断开断开断开组合可编程逻辑器浮栅延长区与漏区浮栅延长区与漏区N+之间的之间的交叠处有一个厚度约为交叠处有一个厚度约为80A (埃埃)的薄绝缘层的薄绝缘层遂道区。遂道区。当遂道区的电场强度大到一当遂道区的电场强度大到一定程度，使漏区与浮栅间出定程度，使漏区与浮栅间出现导电遂道，形成电流将浮现导电遂道，形成电流将浮栅电荷泄放掉。栅电荷泄放掉。遂道遂道MOS管管是用电擦除的，是用电擦除的，擦除速度快。擦除速度快。 N+ N+ 隧隧道道 P P型型衬衬底底 源源极极s s 控控制制栅栅g gc c 漏漏极极d d 浮浮栅栅d s gc gf b.浮栅隧道氧化层浮栅隧道氧化层MOS(Flotox MOS)管管 组合可编程逻辑器结构特点结构特点: : 1.闪速存储器存储单元闪速存储器存储单元MOS管的源极管的源极N+区大于漏极区大于漏极N+区，而区，而SIMOS管的源极管的源极N+区和漏极区和漏极N+区是对称的；区是对称的； 2. 浮栅到浮栅到P型衬底间的氧化型衬底间的氧化绝缘层比绝缘层比SIMOS管的更薄。管的更薄。c.快闪快闪叠栅叠栅MOS管开关管开关 （Flash Memory) （自学）（自学）特点：结构简单、集成度高、特点：结构简单、集成度高、编程可靠、擦除快捷。编程可靠、擦除快捷。 N+ N+ P P 型衬底型衬底 源极源极s s 控制栅控制栅 g gc c 漏极漏极d d 浮栅浮栅d s gc gf 组合可编程逻辑器PLD中的三种与、或阵列中的三种与、或阵列 与与阵阵列列 B A L1 L0 可可编编程程 或或阵阵列列 固固定定 与阵列、或阵列与阵列、或阵列均可编程均可编程(PLA)与阵列固定，或阵与阵列固定，或阵列可编程列可编程(PROM)与阵列可编程，或与阵列可编程，或阵列固定阵列固定(PAL和和GAL等等) 与阵列与阵列 B A L1 L0 可编程可编程 或阵列或阵列 可编程可编程 与与阵阵列列 B A L1 L0 或或阵阵列列 可可编编程程 固固定定 三种与、或阵列有什么特点？三种与、或阵列有什么特点？输出函数为最小输出函数为最小项表达式项表达式输出函数的乘积项数不输出函数的乘积项数不可变每个乘积项所含变可变每个乘积项所含变量数可变量数可变输出函数的乘积项数可变每输出函数的乘积项数可变每个乘积项所含变量数可变个乘积项所含变量数可变组合可编程逻辑器4.5.2 组合逻辑电路的组合逻辑电路的 PLD 实现实现 例例1 1 由由PAL构成的逻辑电路如图所构成的逻辑电路如图所示，试写出该电路的逻辑表达式，示，试写出该电路的逻辑表达式，并确定其逻辑功能并确定其逻辑功能。写出该电路的逻辑表达式：写出该电路的逻辑表达式： Bn An Sn Cn+1 Cn 组合可编程逻辑器 Bn An “或”阵列 （固定） Sn Cn+1 “与”阵列 (可编程) Cn nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnCBCABACCBACBACBACBAS1AnBnCnAnBnAnCnBnCn全加器全加器AnBnCnAnBnCnAnBnCn组合可编程逻辑器例例2：试写出该电路的逻辑表达式。：试写出该电路的逻辑表达式。 A L0 L1 L2 L3 B C D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DCBADCL 0DCBDCBL 2BDACBALL 03BCADBADCBL 1CDABCDABCABD 组合可编程逻辑器复习思考题复习思考题l1 1、PLDPLD由哪几部分组成？由哪几部分组成？l2 2、PLDPLD编程连接技术分哪几类？编程连接技术分哪几类？l3 3、浮栅、浮栅MOSMOS管编程信息的擦除方法主要有管编程信息的擦除方法主要有哪些？哪些？l4 4、列举四种类型的、列举四种类型的PLDPLD器件，并简单说明器件，并简单说明其结构。其结构。l5 5、课后习题。、课后习题。组合可编程逻辑器本章小结本章小结(1)(1)l组合逻辑电路的输出状态只决定于同一时刻的输入状态，它可组合逻辑电路的输出状态只决定于同一时刻的输入状态，它可由逻辑门电路以及可编程器件（由逻辑门电路以及可编程器件（PLDPLD）等组成。）等组成。l分析组合逻辑电路的目的是确定已知电路的逻辑功能，其步骤分析组合逻辑电路的目的是确定已知电路的逻辑功能，其步骤大致是：写出各输出端的逻辑表达式大致是：写出各输出端的逻辑表达式化简和变换逻辑表达式化简和变换逻辑表达式列出真值表列出真值表确定功能。确定功能。l设计组合逻辑电路的目的是根据提出的实际问题，设计出逻辑设计组合逻辑电路的目的是根据提出的实际问题，设计出逻辑电路。设计步骤大致是：明确逻辑功能电路。设计步骤大致是：明确逻辑功能列出真值表列出真值表写出逻写出逻辑表达式辑表达式逻辑化简和变换逻辑化简和变换画出逻辑图。画出逻辑图。l典型的中规模组合逻辑器件包括编码器、译码器、数据选择器、典型的中规模组合逻辑器件包括编码器、译码器、数据选择器、数值比较器、加法器和算术逻辑运算单元等。这些组合逻辑器数值比较器、加法器和算术逻辑运算单元等。这些组合逻辑器件除了具有其基本功能外，通常还具有输入使能、输出使能、件除了具有其基本功能外，通常还具有输入使能、输出使能、输入扩展、输出扩展功能，使其功能更加灵活，便于构成较复输入扩展、输出扩展功能，使其功能更加灵活，便于构成较复杂的逻辑系统。杂的逻辑系统。组合可编程逻辑器本章小结本章小结(2)(2)l应用组合逻辑器件进行组合逻辑电路设计时，所应用的原理和应用组合逻辑器件进行组合逻辑电路设计时，所应用的原理和步骤与用门电路时基本一致，但也有其特殊之处。步骤与用门电路时基本一致，但也有其特殊之处。（1 1）对逻辑表达式的变换与化简应尽可能与组合逻辑器件的形）对逻辑表达式的变换与化简应尽可能与组合逻辑器件的形式一致，而不是尽量简化。式一致，而不是尽量简化。（2 2）设计时应考虑充分利用器件本身的功能。同种类型的器件）设计时应考虑充分利用器件本身的功能。同种类型的器件有不同的型号，在满足设计要求的前提下，尽量选用简单的器有不同的型号，在满足设计要求的前提下，尽量选用简单的器件，器件数也尽可能少。件，器件数也尽可能少。（3 3）如果只需一个组合器件就可以满足要求，则需要对有关使）如果只需一个组合器件就可以满足要求，则需要对有关使能、扩展或者多余输入端作适当的处理。如果一个组合器件不能、扩展或者多余输入端作适当的处理。如果一个组合器件不能满足设计要求，则需要对组合器件进行扩展，直接将若干个能满足设计要求，则需要对组合器件进行扩展，直接将若干个器件组合或者由适当的逻辑门将若干个器件组合起来。器件组合或者由适当的逻辑门将若干个器件组合起来。组合可编程逻辑器本章小结本章小结(3)(3)l可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLDPLD）由用户定义和设计逻辑功能，可）由用户定义和设计逻辑功能，可以实现各种组合逻辑电路。其特点是结构灵活、集成度高、以实现各种组合逻辑电路。其特点是结构灵活、集成度高、速度快和可靠性高。速度快和可靠性高。组合可编程逻辑器组合逻辑电路组合逻辑电路的分析步骤,实例分析组合逻辑电路的设计步骤，实例设计竞争冒险现象定义产生原因消除方法中规模集成电路编码器定义与功能，典型芯片：CD4532的应用译码器定义与功能，典型芯片：74HC138、74HC42、74HC4511的应用数据分配器定义与功能，典型芯片：74HC138数据选择器定义与功能，典型芯片：74HC151的应用数值比较器定义与功能，典型芯片：74HC85的应用加法器定义与功能，典型芯片：74HC283的应用PLDPROM结构及应用特点PLAPALGAL