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1、第二章第二章 PLDPLD硬件特性与编程技术硬件特性与编程技术 可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）是从）是从20世纪世纪70年代发展起来的一种允许用户配年代发展起来的一种允许用户配置的集成逻辑器件。可编程器件置的集成逻辑器件。可编程器件PLD与专用集成电路与专用集成电路ASIC（Application Specific IC）相比较，因其具有成）相比较，因其具有成本低、使用灵活、设计周期短、可靠性高等特点，是一种本低、使用灵活、设计周期短、可靠性高等特点，是一种半定制集成电路，极大促进数字集成电路的发展。半定制集成电路，极大促进数字集成电路
2、的发展。可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD经历了从逻辑规模比较小的简经历了从逻辑规模比较小的简单单PLD（PROM、PLA、PAL、GAL）到采用大规模集）到采用大规模集成电路技术的复杂成电路技术的复杂PLD的发展进程，在结构、工艺、集的发展进程，在结构、工艺、集成度、速度和性能等方面都得到极大的提高。成度、速度和性能等方面都得到极大的提高。目前，应用最广泛的目前，应用最广泛的PLD主要是以乘积项结构方式构成逻辑行主要是以乘积项结构方式构成逻辑行为的复杂可编程器件为的复杂可编程器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）和以查表法结构方式构成逻辑结构行为的
3、现场可编程门阵）和以查表法结构方式构成逻辑结构行为的现场可编程门阵列列FPGA（Field Programmable Gate Array）。）。2.1 PLD概述概述与中、小规模集成电路比：与中、小规模集成电路比：PLD具有集成度高、速度快、功耗小和可靠性具有集成度高、速度快、功耗小和可靠性高、高、EDA软件自动化程度高等优点；软件自动化程度高等优点；与专用集成电路与专用集成电路ASIC比：比：PLD具有研制周期短、先期投资少、无开发风具有研制周期短、先期投资少、无开发风险、修改方便和小批量生产成本低等优点。险、修改方便和小批量生产成本低等优点。1995年年PLD销售额占销售额占IC市场的市
4、场的40，其集成度每，其集成度每年以年以35的速度递增，而成本以每年的速度递增，而成本以每年40的速度降低。的速度降低。2.1 PLD概述概述 数字电路系统是由基本门构成的，包含有数字电路系统是由基本门构成的，包含有两类数字电路：两类数字电路：一类是组合逻辑电路一类是组合逻辑电路:其特点是任一时刻的输出信号状态仅取决其特点是任一时刻的输出信号状态仅取决于当前的输入信号状态；于当前的输入信号状态；另一类是时序电路另一类是时序电路:它由组合逻辑电路和存储逻辑电路两部分它由组合逻辑电路和存储逻辑电路两部分组成。其特点是任一时刻的输出信号状态不仅组成。其特点是任一时刻的输出信号状态不仅取决于当时的输入
5、信号状态，而且还取决于电取决于当时的输入信号状态，而且还取决于电路原来的信号状态。路原来的信号状态。在数字系统中，根据布尔代数的知识，可在数字系统中，根据布尔代数的知识，可知任何组合逻辑函数都可以用与或表达形式知任何组合逻辑函数都可以用与或表达形式描述，也即可用描述，也即可用“与门与门-或门或门”两种基本门电两种基本门电路实现任何组合逻辑电路，而任何时序逻辑路实现任何组合逻辑电路，而任何时序逻辑电路又都是由组合逻辑电路加上存储元件电路又都是由组合逻辑电路加上存储元件（触发器、锁存器）构成的。（触发器、锁存器）构成的。可编程电路结构可编程电路结构 由输入处理电路、与阵列、或阵列、输出处理电路等四
6、种功由输入处理电路、与阵列、或阵列、输出处理电路等四种功能部分组成，其基本结构如图能部分组成，其基本结构如图2-1所示。所示。输入输入处理处理电路电路输出输出处理处理电路电路与与阵阵列列或或阵阵列列图图2-1 简单简单PLD的基本结构的基本结构输输入入输输出出 与阵列和或阵列与阵列和或阵列 是电路的主体，其功能主要是用来实现组合逻辑函数。是电路的主体，其功能主要是用来实现组合逻辑函数。输入处理电路输入处理电路 是由输入缓冲器组成，其功能主要是使输入信号具有足是由输入缓冲器组成，其功能主要是使输入信号具有足够的驱动能力并产生输入变量的原变量以及反变量两个互补够的驱动能力并产生输入变量的原变量以及
7、反变量两个互补的信号。的信号。输出处理电路输出处理电路 主要是由三态门寄存器组成，其功能主要是提供不同的输主要是由三态门寄存器组成，其功能主要是提供不同的输出方式，可以由或阵列直接输出（组合方式），也可以通过出方式，可以由或阵列直接输出（组合方式），也可以通过寄存器输出（时序方式）。寄存器输出（时序方式）。可编程电路结构可编程电路结构一一.PLD的发展过程：的发展过程：70年代初年代初 PROM(Programmable Read Only Memory可编程只读存储可编程只读存储器器)是最早出现的可编程逻辑器件。是最早出现的可编程逻辑器件。70年代中年代中AMD公司推出了可编程逻辑阵列公司推
8、出了可编程逻辑阵列(PLA-Programmable Logic Array)器件。器件。70年代末美国年代末美国MMI公司公司(Monolithic Memories Inc,单片存储器公司单片存储器公司)率先推出了可编程阵列逻辑率先推出了可编程阵列逻辑(PAL-Programmable Array Logic)器件。器件。是是第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。80年代初年代初Lattice公司发明了公司发明了通用阵列逻辑通用阵列逻辑(GAL-Generic Array Logic)器件。器件。GAL比比PAL使用更加灵活使用更加灵活,它可以取代大部分它
9、可以取代大部分SSI、MSI和和PAL器件器件,所以在所以在20世纪世纪80年代得到广泛应用年代得到广泛应用。80年代中年代中Altera公司推出了一种新型的可擦除、公司推出了一种新型的可擦除、可编程逻辑器件可编程逻辑器件(EPLD-Erasable Programmable Logic Device)。它采用它采用CMOS和和UVEPROM工艺制作工艺制作,集成度比集成度比PAL和和GAL高得多高得多,设计也更加灵活设计也更加灵活,但内部互连能力比但内部互连能力比较弱。较弱。1985年年Xilinx公司首家推出了现场可编程逻辑公司首家推出了现场可编程逻辑(FPGA-Field Program
10、mable Gate Array)器件。器件。80年代末年代末Lattice公司提出了在系统可编程技术公司提出了在系统可编程技术,并并相继推出了一系列具备相继推出了一系列具备在系统可编程能力在系统可编程能力的复杂可编程逻的复杂可编程逻辑器件辑器件(CPLD-Complex PLD)。90年代至今高密度年代至今高密度CPLD、FPGA在生产工艺、在生产工艺、器件的编程和测试技术等方面都有了飞速发展。并在器件的编程和测试技术等方面都有了飞速发展。并在现代电子系统设计中得到了相当广泛的应用。现代电子系统设计中得到了相当广泛的应用。二二.PLD的分类的分类1从结构的复杂程度分类从结构的复杂程度分类 可
11、分为可分为低密度可编程逻辑器件低密度可编程逻辑器件(LDPLD)和和高密度可编程逻辑高密度可编程逻辑器件器件(HDPLD)两类。两类。1）LDPLD主要指早期发展起来的主要指早期发展起来的PLD,它包括它包括PROM、PLA、PAL和和GAL四种四种,其集成密度一般小于其集成密度一般小于700门门/片片。（这里的门。（这里的门是指是指PLD等效门）等效门）PLD的分类方法较多，也不统一，下面简单介绍的分类方法较多，也不统一，下面简单介绍3种。种。2）HDPLD包括包括CPLD和和FPGA,其集成密度大其集成密度大于于700门门/片。片。如如Altera公司的公司的EPM9560,其密度为其密度
12、为12000门门/片片.Lattice公司的公司的pLSI/ispLSI3320为为14000门门/片片.Xilinx公司的公司的XC4020为为20000门门/片片,等等。等等。目前集成度最高的目前集成度最高的HDPLD可达可达400万门万门/片。片。可编程逻辑器件按编程方式分为两类可编程逻辑器件按编程方式分为两类:1）一次性编程一次性编程(One Time Programmable,简称简称OTP)器件器件;OTP器件只允许对器件器件只允许对器件编程一次编程一次,编程后不能修改编程后不能修改,其优点是集其优点是集成度高、工作频率和可靠性高、抗干扰性强。成度高、工作频率和可靠性高、抗干扰性强
13、。一次可编程的典一次可编程的典型产品是型产品是PROM、PAL和熔丝型和熔丝型FPGA 2）优点是可优点是可多次修改设计多次修改设计,特别适合特别适合于系统样机的研制。擦写次数可达上千次，采用于系统样机的研制。擦写次数可达上千次，采用SRAM结构，结构，可无限次编程。可无限次编程。2从可编程特性上分类从可编程特性上分类 可编程逻辑器件的编程信息均可编程逻辑器件的编程信息均存储在可编程元存储在可编程元件中件中。根据各种。根据各种可编程元件可编程元件的的结构及编程方式结构及编程方式,可编程可编程逻辑器件通常又可以分为五类逻辑器件通常又可以分为五类:采用采用一次性编程的熔丝一次性编程的熔丝元件的可编
14、程器件元件的可编程器件3.从可编程器件的编程元件上分类从可编程器件的编程元件上分类字线字线VEEX编程时，位编程时，位线须加高压线须加高压20v位线位线 EPROM浮栅管DS浮置栅SiO2PPNDS反熔丝（低阻）反熔丝（低阻）元件的可编程器件（元件的可编程器件（为为OTP型）型）采用采用紫外线擦除、电可编程元件紫外线擦除、电可编程元件,即采用即采用EPROM工艺工艺结构的可编程器件。结构的可编程器件。反熔丝元件场氧化物扩散层介质多晶硅1.2 m编程时须加中编程时须加中压压18v，击穿介，击穿介质层，使节点质层，使节点联通。联通。基于静态存储器基于静态存储器SRAM结构的编程器件结构的编程器件-
15、系统断电后系统断电后,编程信息会丢失编程信息会丢失。采用采用电擦除、电可编程电擦除、电可编程元件元件EEPROM 工艺结构的工艺结构的可编程器件可编程器件;EPROM管管NN控制栅 G1（多晶体）浮栅G2（多晶体）隧道区（SiO2极薄层）SiO2PD1S1数据读或写VQQROMROM结构的器件，掉电后信结构的器件，掉电后信息不会丢失，因为是利用其息不会丢失，因为是利用其物理结构保存信息物理结构保存信息FLASH型型：用：用工作电压工作电压编程和擦除，速度快、掉电信编程和擦除，速度快、掉电信息不丢失，使用广泛。息不丢失，使用广泛。2.2 低密度低密度PLD可编程原理可编程原理 简单简单PLD逻辑
16、规模较小，只能实现通用逻辑规模较小，只能实现通用数字逻辑电路，结构上由简单的数字逻辑电路，结构上由简单的“与与-或或”门门阵列和输入输出单元组成，常见的简单阵列和输入输出单元组成，常见的简单PLD有有PROM、PLA、PAL、GAL等。等。常用逻辑门符号和国标逻辑门符号见课常用逻辑门符号和国标逻辑门符号见课本图本图2-3所示。所示。一般由于一般由于PLD的特殊而复杂的结构，采的特殊而复杂的结构，采用约定的符号简化表示。用约定的符号简化表示。（a）（b）（c）PLD阵列线连接表示和逻辑图形符号阵列线连接表示和逻辑图形符号AAA（d）ABCDY=ACD（e）（f）ABCDY=A+B+D十字交叉线表示两条线未连接 交叉线的交叉点处打上黒实点 在交叉线的交叉点上打叉，表示该点是个可编程点 是互补输出的缓冲器 多输入端与门 多输入端或门 1、可编程只读存储器可编程只读存储器PROM（Programmable Read Only Memory）ROM器件由地址译码部分、器件由地址译码部分、ROM单元部分和单元部分和输出缓冲部分构成。输出缓冲部分构成。地址译码部分完成地址译码部分完成PROM存储阵列
