数电讲座-可编程逻辑器件(PLD)课件.pptx

数电讲座数电讲座-可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)(PLD)课件课件 制作人：时间：2024年X月目录目录第第1 1章章 简介简介第第2 2章章 PAL PAL基础知识基础知识第第3 3章章 PLA PLA基础知识基础知识第第4 4章章 FPGA FPGA基础知识基础知识第第5 5章章 数字电路设计基础数字电路设计基础第第6 6章章 总结与展望总结与展望 0101第第1章章 简简介介 课程内容概述课程内容概述本课程主要介绍PLD的基础概念和应用，内容包括PLD的分类、结构、原理和设计方法。PLDPLD基本概念基本概念可编程逻辑器件的定义和基本概念PLDPLD的定义的定义根据不同的结构和应用场景进行分类PLDPLD的分类的分类FPGA的基本原理和应用场景现场可编程门现场可编程门阵列阵列(FPGA)(FPGA)PAL的基本原理和应用场景可编程逻辑阵可编程逻辑阵列列(PAL)(PAL)PLDPLD的结构的结构包括可编程逻辑单元和可编程互连资源PLDPLD的组成要的组成要素素通过PLD内部的编程模块实现逻辑功能的重构PLDPLD的基本运的基本运作原理作原理 PLDPLD的设计方法的设计方法包括需求分析、设计规划、编程实现和测试验证等环节设计流程设计流程以制作简单计数器为例，介绍PLD的设计方法和实现过程设计实例设计实例 PLDPLDPLDPLD的分类的分类的分类的分类PLDPLD根据不同的结构和应用场景进行分类，常见的有根据不同的结构和应用场景进行分类，常见的有FPGAFPGA和和PALPAL。其中，。其中，FPGAFPGA在数字信号处理、数据存储和网络通信等领域应用广泛，而在数字信号处理、数据存储和网络通信等领域应用广泛，而PALPAL则主要用于简则主要用于简单逻辑电路的设计和优化。单逻辑电路的设计和优化。PLDPLD的组成要素的组成要素包括与门、或门、非门等基本逻辑单元，可以通过编程实现复杂的逻辑功能可编程逻辑单可编程逻辑单元元包括互连矩阵、开关、缓冲器等，可以实现不同逻辑单元之间的连接可编程互连资可编程互连资源源 PLDPLD的基本运作原理的基本运作原理PLD通过内部的编程模块实现逻辑功能的重构，对外部输入数据进行处理，生成对应的输出信号。其基本原理是通过编程实现逻辑单元的重构和互连资源的调配，实现数字电路的可编程设计和优化。PLDPLDPLDPLD的设计流程的设计流程的设计流程的设计流程PLDPLD的设计流程包括需求分析、设计规划、编程实现和测试验证等环节。其中，的设计流程包括需求分析、设计规划、编程实现和测试验证等环节。其中，需求分析是确定设计目标和功能需求，设计规划是制定实现方案和设计规范，需求分析是确定设计目标和功能需求，设计规划是制定实现方案和设计规范，编程实现是基于编程软件和硬件平台进行逻辑设计和编程，测试验证则是对编程实现是基于编程软件和硬件平台进行逻辑设计和编程，测试验证则是对设计效果进行测试和评估。设计效果进行测试和评估。实现一个4位二进制计数器，用于计数器的控制和显示设计目标设计目标0103采用FPGA硬件平台和VHDL编程语言进行设计和开发实现方案实现方案02包括计数器的加法器、存储器和显示器等功能功能需求功能需求 0202第第2章章 PAL基基础础知知识识 PALPAL的组成和结构的组成和结构PAL是由一个可编程的逻辑门阵列和一个输出寄存器组成。它的输入是来自于逻辑门阵列的输出信号，通过可编程的与门和或门对这些信号进行编码（组合逻辑），然后将编码后的结果与输出寄存器进行连接输出。PALPAL的内部结构的内部结构PAL的内部结构由可编程的逻辑门阵列、编码矩阵和输出寄存器组成。编码矩阵将输入信号编码为逻辑门阵列的输入，例如有的PAL中有一个编码阵列，可以编码1-16个输入变量。PALPAL与与PLAPLA的区别的区别PAL与PLA最主要的区别就是PAL的编码阵列是和门和或门的结合，而PLA编码阵列是仅包含与门和反相器的阵列。因此，PAL的编码阵列相对于PLA来说更加紧凑，产生的方程更简单。PALPALPALPAL的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理PALPAL的输入由一个可编程的逻辑门阵列产生，这些信号通过可编程的与门和或的输入由一个可编程的逻辑门阵列产生，这些信号通过可编程的与门和或门进行编码，然后将编码结果与输出寄存器连接。门进行编码，然后将编码结果与输出寄存器连接。PALPAL的运行模式分为非存储的运行模式分为非存储器模式和存储器模式，非存储器模式下，器模式和存储器模式，非存储器模式下，PALPAL的输出变化不会影响它的内部存的输出变化不会影响它的内部存储器；存储器模式下，储器；存储器模式下，PALPAL的输出变化会影响它的内部存储器。的输出变化会影响它的内部存储器。编程原理编程原理编程原理编程原理PALPAL的编程原理是通过将期望输的编程原理是通过将期望输出与实际输出进行比较，生成出与实际输出进行比较，生成模式禁止向器件输入的机器代模式禁止向器件输入的机器代码。码。编程步骤编程步骤编程步骤编程步骤编程步骤主要包括：准备设备、编程步骤主要包括：准备设备、设计设备，生成相关文件，将设计设备，生成相关文件，将文件下载到器件中等一系列流文件下载到器件中等一系列流程。程。PALPAL的编程方法的编程方法编程模式编程模式编程模式编程模式编程模式是指使用什么设备对编程模式是指使用什么设备对PALPAL进行编程，包括器件、软件进行编程，包括器件、软件和硬件等多种形式和硬件等多种形式3.存储器控制数字电子电路中的应用数字电子电路中的应用0103 023.通用逻辑器件优化系统设计中的应用系统设计中的应用PALPAL的优点的优点与PLA相比，PAL有更少的逻辑门，使得它更紧凑紧凑紧凑PAL可以在短时间内完成计算，因为它们是专门设计的。速度速度PAL非常灵活，因为可以通过重新编程来改变其功能。灵活性灵活性PAL通常使用较低的功耗，使它们成为低功耗应用的理想选择。低功耗低功耗 0303第第3章章 PLA基基础础知知识识 PLAPLA的基本概念的基本概念PLA，即可编程逻辑阵列，是一种可编程逻辑器件。PLA广泛应用于数字电路中，是数字电路设计的重要组成部分。PLAPLA的内部结构和功能的内部结构和功能AND阵列、OR阵列、寄存器PLAPLA的内部结的内部结构构输入包括地址码和控制信号，输出为逻辑结果PLAPLA的输入和的输入和输出输出使用与、或运算进行逻辑运算PLAPLA的运算方的运算方式式 PLAPLAPLAPLA的编程方法的编程方法的编程方法的编程方法PLAPLA的编程分为两种模式：逻辑方程式模式和直接编程模式。逻辑方程式模式的编程分为两种模式：逻辑方程式模式和直接编程模式。逻辑方程式模式使用使用KarnaughKarnaugh图进行化简，最后得到逻辑方程式；直接编程模式则是直接将图进行化简，最后得到逻辑方程式；直接编程模式则是直接将逻辑电路表达式编写成二进制数输入到逻辑电路表达式编写成二进制数输入到PLAPLA中，进行存储。中，进行存储。使用贝尔-卡诺法将逻辑表达式化为最小项将逻辑表达式转化为二进制码将逻辑表达式转化为二进制码0103保存编程信息后，PLA即可进行逻辑计算保存保存PLAPLA中的编程信息中的编程信息02依据PLA的输入输出特性，将二进制码输入到PLA中将二进制码输入到将二进制码输入到PLAPLA中中系统设计中的应用系统设计中的应用系统设计中的应用系统设计中的应用自动控制系统自动控制系统通讯系统通讯系统计算机系统计算机系统嵌入式系统中的应用嵌入式系统中的应用嵌入式系统中的应用嵌入式系统中的应用用于用于FPGAFPGA的大规模集成电路设的大规模集成电路设计计用于用于SoCSoC的软件定义硬件设计的软件定义硬件设计用于用于DSPDSP的数字信号处理的数字信号处理其它应用其它应用其它应用其它应用用于加密芯片设计用于加密芯片设计用于信息安全领域用于信息安全领域用于信号处理等领域用于信号处理等领域PLAPLA的应用的应用数数数数字字字字电电电电路路路路设设设设计计计计中中中中的的的的应用应用应用应用基于基于PLAPLA的逻辑电路设计的逻辑电路设计随机逻辑电路设计随机逻辑电路设计高速数字电路设计高速数字电路设计总结总结PLA是可编程逻辑器件，广泛应用于数字电路设计中PLAPLA的基本概的基本概念念PLA的内部包括AND阵列、OR阵列和寄存器，输入为地址码和控制信号，输出为逻辑结果PLAPLA的内部结的内部结构和功能构和功能包括逻辑方程式和直接编程模式PLAPLA的编程方的编程方法法将逻辑表达式转化为二进制码，输入到PLA中，保存编程信息后即可进行逻辑计算PLAPLA的编程原的编程原理理 0404第第4章章 FPGA基基础础知知识识 FPGAFPGAFPGAFPGA的定义和的定义和的定义和的定义和原理原理原理原理FPGAFPGA是一种基于半导体器件的可编程逻辑器件，与是一种基于半导体器件的可编程逻辑器件，与ASICASIC相比，相比，FPGAFPGA的设计成的设计成本更低、周期更短，在硬件设计中应用广泛。本更低、周期更短，在硬件设计中应用广泛。FPGAFPGA可编程电路的原理是基于可编程电路的原理是基于静态存储器和可编程互连，在设计后可以配置为任意电路功能，适用于需要静态存储器和可编程互连，在设计后可以配置为任意电路功能，适用于需要快速响应和高度定制化的场景。快速响应和高度定制化的场景。FPGAFPGAFPGAFPGA的架构和的架构和的架构和的架构和组成组成组成组成FPGAFPGA由逻辑单元、可编程连线和存储单元组成，其中逻辑单元用于实现不同由逻辑单元、可编程连线和存储单元组成，其中逻辑单元用于实现不同的逻辑功能，可编程连线用于连接逻辑单元和实现不同的电路功能，存储单的逻辑功能，可编程连线用于连接逻辑单元和实现不同的电路功能，存储单元用于配置元用于配置FPGAFPGA的功能。的功能。FPGAFPGA的架构分类包括分层、模块化和混合型，不同的架构分类包括分层、模块化和混合型，不同架构的架构的FPGAFPGA在性能、复杂度和应用范围等方面各有优劣，根据不同需求进行在性能、复杂度和应用范围等方面各有优劣，根据不同需求进行选择。选择。FPGA开发工具软件设计环境软件设计环境0103 02FPGA调试器、示波器等硬件开发环境硬件开发环境FPGAFPGA的应用的应用逻辑门、计数器、多路选择器等数字电路实现数字电路实现调制解调器、协议处理器、误码率测试等通信系统设计通信系统设计边缘检测、数字滤波、图像压缩等图像处理图像处理 模块化结构架构模块化结构架构模块化结构架构模块化结构架构基本构件单元是硬核基本构件单元是硬核适合实现大规模功能模块适合实现大规模功能模块混合型结构架构混合型结构架构混合型结构架构混合型结构架构混合上述两种架构混合上述两种架构适合实现中等规模、多种功能适合实现中等规模、多种功能的电路的电路 FPGAFPGA架构分类架构分类层次结构架构层次结构架构层次结构架构层次结构架构基本构件单元是查找表基本构件单元是查找表适合实现多功能、小规模电路适合实现多功能、小规模电路 0505第第5章章 数字数字电电路路设计设计基基础础 布尔代数基础布尔代数基础布尔代数基础布尔代数基础布尔代数是一种代数系统，用来描述逻辑关系。根据布尔代数的定义，我们布尔代数是一种代数系统，用来描述逻辑关系。根据布尔代数的定义，我们可以使用逻辑运算符对逻辑变量进行操作，例如与、或、非等。布尔恒等定可以使用逻辑运算符对逻辑变量进行操作，例如与、或、非等。布尔恒等定理和布尔变换定理是布尔代数的基本定理，对于数字电路的设计和实现有着理和布尔变换定理是布尔代数的基本定理，对于数字电路的设计和实现有着重要的应用。重要的应用。布尔恒等定理布尔恒等定理1 AND x x1 OR x=1恒等律恒等律0 AND x=00 OR x=x零律零律x AND x=xx OR x=x归一律归一律NOT(NOT x)=x否定律否定律布尔变换定理布尔变换定理NOT(x AND y)=NOT x OR NOT yNOT(x OR y)=NOT x AND NOT y德摩根定理德摩根定理x AND(y OR z)=(x AND y)OR(x AND z)x OR(y AND z)=(x OR y)AND(x OR z)分配律分配律(x AND y)AND z=x AND(y AND z)(x OR y)OR z=x OR(y OR z)结合律结合律x AND NOT x=0 x OR NOT x=1消元律消元律组合逻辑电路设组合逻辑电路设组合逻辑电路设组合逻辑电路设计计计计组合逻辑电路是基于输入变量直接确定输出的逻辑电路。组合电路的设计方组合逻辑电路是基于输入变量直接确定输出的逻辑电路。组合电路的设计方法可以通过真值表、卡诺图等方法实现。在组合逻辑电路的设计中，我们需法可以通过真值表、卡诺图等方法实现。在组合逻辑电路的设计中，我们需要考虑到它的输出是否符合我们所要求的逻辑功能，以及它所带来的时延和要考虑到它的输出是否符合我们所要求的逻辑功能，以及它所带来的时延和功耗等问题。功耗等问题。组合电路设计方法组合电路设计方法通过列出所有可能的输入组合，计算出对应的输出，进而确定逻辑功能真值表法真值表法通过图形化的方式将输入输出关系进行可视化，从而实现优化和简化逻辑电路卡诺图法卡诺图法使用布尔代数或其它代数方法，将逻辑电路的功能表示为一个或多个逻辑方程方程法方程法通过使用数字电路仿真工具，验证设计的逻辑电路是否符合要求仿真分析法仿真分析法时序逻辑电路设时序逻辑电路设时序逻辑电路设时序逻辑电路设计计计计时序逻辑电路是带有存储功能的逻辑电路，可以对输入信号进行处理，同时时序逻辑电路是带有存储功能的逻辑电路，可以对输入信号进行处理，同时还可以记忆、储存和输出信息。时序逻辑电路的设计方法包括状态图法、状还可以记忆、储存和输出信息。时序逻辑电路的设计方法包括状态图法、状态表法、状态方程法等。在时序逻辑电路的设计中，我们需要考虑到电路的态表法、状态方程法等。在时序逻辑电路的设计中，我们需要考虑到电路的同步性、时序性、稳定性和可靠性等问题。同步性、时序性、稳定性和可靠性等问题。时序电路设计方法时序电路设计方法用状态表来描述状态机的状态转移和输出规律，从而实现电路设计状态表法状态表法用状态图来描述状态机的状态转移和输出规律，从而实现电路设计状态图法状态图法通过建立状态方程，然后根据状态方程转移函数和输出函数，实现逻辑电路设计状态方程法状态方程法通过将电路分为若干级，实现复杂的时序逻辑电路设计流水线设计法流水线设计法数字电路仿真与数字电路仿真与数字电路仿真与数字电路仿真与调试调试调试调试数字电路仿真和调试是数字电路设计中十分重要的一环。我们需要通过仿真数字电路仿真和调试是数字电路设计中十分重要的一环。我们需要通过仿真工具来验证逻辑电路的性能和正确性，以及对仿真结果进行分析和调试，从工具来验证逻辑电路的性能和正确性，以及对仿真结果进行分析和调试，从而最终得到符合要求的数字电路产品。而最终得到符合要求的数字电路产品。数字电路仿真与调试数字电路仿真与调试通过数字电路仿真工具，验证设计的逻辑电路是否符合要求仿真分析仿真分析通过时序分析工具，分析逻辑电路的时序性能和时延问题时序分析时序分析通过逻辑分析仪，分析逻辑电路的输入和输出信号，从而判断电路的性能和正确性逻辑分析逻辑分析通过排查故障的方法，找出逻辑电路电路中的问题，并进行修复排查故障排查故障 0606第第6章章 总结总结与展望与展望 课程总结课程总结课程总结课程总结在本课程中，我们学习了可编程逻辑器件（在本课程中，我们学习了可编程逻辑器件（PLDPLD）的相关知识，包括）的相关知识，包括PLDPLD的概的概念、种类、设计和应用等。通过本课程的学习，我们掌握了念、种类、设计和应用等。通过本课程的学习，我们掌握了PLDPLD的基本原理和的基本原理和应用技能，提高了我们对数字电路的理解和实践能力。应用技能，提高了我们对数字电路的理解和实践能力。课程收获和学习课程收获和学习课程收获和学习课程收获和学习体会体会体会体会在学习在学习PLDPLD的过程中，我们不仅获得了专业知识，更重要的是提升了自己的思的过程中，我们不仅获得了专业知识，更重要的是提升了自己的思维能力和解决问题的能力。同时，我们也认识到了数字电路对于现代科技的维能力和解决问题的能力。同时，我们也认识到了数字电路对于现代科技的重要性和广泛应用，这对我们的未来发展有着重要的影响。重要性和广泛应用，这对我们的未来发展有着重要的影响。数字电路设计的数字电路设计的数字电路设计的数字电路设计的展望展望展望展望数字电路设计作为一门重要的理论和实践课程，在未来的发展中具有广泛的数字电路设计作为一门重要的理论和实践课程，在未来的发展中具有广泛的应用前景。未来数字电路设计的发展方向包括：低功耗、高速率、高可靠性、应用前景。未来数字电路设计的发展方向包括：低功耗、高速率、高可靠性、集成度和系统级集成等。同时，数字电路设计将继续与计算机、通信、信息集成度和系统级集成等。同时，数字电路设计将继续与计算机、通信、信息等领域紧密结合，为人们的生活和工作提供更多的便利和创新。等领域紧密结合，为人们的生活和工作提供更多的便利和创新。个人感想个人感想个人感想个人感想在学习在学习PLDPLD的过程中，我认识到自己的不足之处，也感受到了自己的进步和成的过程中，我认识到自己的不足之处，也感受到了自己的进步和成长。通过课程的学习和实践，我发现数字电路设计虽然具有一定的难度，但长。通过课程的学习和实践，我发现数字电路设计虽然具有一定的难度，但只要掌握了基本原理和设计方法，就能够快速解决复杂问题。我深知，只有只要掌握了基本原理和设计方法，就能够快速解决复杂问题。我深知，只有不断学习和进步，才能够跟上时代的步伐，为未来的发展做出更大的贡献。不断学习和进步，才能够跟上时代的步伐，为未来的发展做出更大的贡献。不断学不断学习习，不断，不断进进步步可编程逻辑器件的种类可编程逻辑器件的种类介绍PAL的基本原理和应用可编程门阵列可编程门阵列（PALPAL）介绍PLA的基本原理和应用可编程逻辑阵可编程逻辑阵列（列（PLAPLA）介绍CPLD的基本原理和应用复杂可编程逻复杂可编程逻辑器件辑器件（CPLDCPLD）介绍FPGA的基本原理和应用场可编程门阵场可编程门阵列（列（FPGAFPGA）介绍微处理器的基本原理和应用微处理器微处理器0103介绍数字系统设计的基本原理和应用数字系统设计数字系统设计02介绍DSP的基本原理和应用数字信号处理器数字信号处理器高速率高速率高速率高速率时序分析时序分析时钟分配时钟分配高可靠性高可靠性高可靠性高可靠性可靠性分析可靠性分析故障诊断故障诊断集成度集成度集成度集成度引入引入ASICASICSoCSoC技术技术数字电路设计的技术特点数字电路设计的技术特点低功耗低功耗低功耗低功耗CMOSCMOS工艺工艺设计优化设计优化总结总结本课程介绍了可编程逻辑器件（PLD）的相关知识，包括PLD的分类、设计和应用等。通过本课程的学习，我们深入了解了PLD的基本原理和实际应用，提高了我们对数字电路的理解和实践能力。同时，我们也明确了数字电路设计的未来发展方向和应用前景，对于我们的未来职业规划和发展有着重要的参考价值。THANKS 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