第07章可编程逻辑器件.pdf

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1、第七章 可编程逻辑器件数字电路与逻辑设计北京邮电大学 信息与通信工程学院 孙文生第七章 可编程逻辑器件集成电路的发展集成电路的发展:小规模小规模SSI:几十几十 几百门几百门中规模中规模MSI:几百几百 几千门几千门大规模大规模LSI:几千几千 几万门几万门超大规模超大规模VLSI:几万门以上几万门以上标准标准SSI/MSI器件具有批量大、价格便宜等特点器件具有批量大、价格便宜等特点,是传统数字系统设计中使用的主要逻辑器件；缺点是是传统数字系统设计中使用的主要逻辑器件；缺点是密度低，数字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，密度低，数字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，系统的可靠性差、

2、功耗大、时延大。焊点多，系统的可靠性差、功耗大、时延大。四核四核8线程，集成线程，集成14.8亿只晶体亿只晶体管管(Ivy Bridge架构架构)第七章 可编程逻辑器件通用集成电路通用集成电路:如如RAM专用集成电路专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC)为满足特定功能需求设计和制造；密度高为满足特定功能需求设计和制造；密度高，能大大减少系能大大减少系统的规模和功耗统的规模和功耗，提高系统的可靠性和工作速度；加密位提高系统的可靠性和工作速度；加密位可实现设计加密可实现设计加密。全定制电路：由半导体器件生产商按照电路的要求专门制造

3、全定制电路：由半导体器件生产商按照电路的要求专门制造。半定制电路：由器件生产商预先做好的单元电路组成半定制电路：由器件生产商预先做好的单元电路组成，用户用户可再次编程可再次编程，有一定通用性有一定通用性。可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD：器件内部集成了大量功能独立的单：器件内部集成了大量功能独立的单元元和可配置的连线和可配置的连线，可借助开发工具对器件进行编程可借助开发工具对器件进行编程以确定其功能以确定其功能。第七章 可编程逻辑器件70年代年代80年代年代90年代年代PROM 和和PLA 器件器件改进的改进的PLA 器件器件GAL器件器件FPGA器件器件EPLD 器件器件CPLD器件器件内

4、嵌复杂内嵌复杂功能模块功能模块的的SoPCSoPCPLD的发展历程的发展历程第七章 可编程逻辑器件C、ASM.程序程序CPUCPU指令指令/数据代码：数据代码：010010 100010 1100010010 100010 1100软件程序编译器软件程序编译器COMPILERCOMPILERVHDL/VERILOG程序程序硬件描述语言硬件描述语言综合器综合器SYNTHESIZERSYNTHESIZER为为ASICASIC设计提供的设计提供的电路网表文件电路网表文件（a）软件语言设计目标流程）软件语言设计目标流程（b）硬件语言设计目标流程）硬件语言设计目标流程编译器和综合功能比较编译器和综合功能

5、比较7.1 存储器及其在实现可编程逻辑方面的应用存储器及其在实现可编程逻辑方面的应用存储器用来存放数据存储器用来存放数据,常见的有常见的有半导体存储器半导体存储器(ROM、RAM)、光光存储器存储器(如如CD,DVD)、磁介质存储器磁介质存储器(如磁带、磁盘如磁带、磁盘)等等.只读存储器只读存储器(ROM)在正常使用时在正常使用时只能只能读取读取，掉电后信息不丢失掉电后信息不丢失(非易失性非易失性)，一般用于存放固定的数据或程序。一般用于存放固定的数据或程序。ROM通常有：掩膜式通常有：掩膜式ROM、一次可编程、一次可编程ROM(PROM)、紫、紫外光可擦除外光可擦除ROM(U-EPROM)、

6、电可擦除、电可擦除ROM(EEPROM)。7.1.1 只读存储器只读存储器存储器的组成：存储器的组成：存储矩阵存储矩阵地址地址译码器译码器输出缓冲器输出缓冲器存储器就象存放货物的仓库，为了便于存取，通常将货物的位存储器就象存放货物的仓库，为了便于存取，通常将货物的位置进行编号，并留有存取的通道。置进行编号，并留有存取的通道。位线位线字线字线一一 只读存储器的结构只读存储器的结构二二 用用ROM实现函数实现函数W1W0地地址址译译码码器器+VDD字线字线Wi位线位线DjD3D2D1D0A0A10111101011000011W2W3地地址址线线CMOS-ROM的结构示例的结构示例存储存储单元单元

7、0存储单存储单元元1存储存储单元单元2存储存储单元单元3CS片选片选D0=W01+W10+W20+W31D1=W01+W11+W20+W31D2=W01+W10+W21+W30D3=W00+W11+W21+W30输出输出Di是若干最小项的和是若干最小项的和可见，用可见，用ROM能够实现函数能够实现函数013011012010A AW A AWA AW A AW译码器输出地址最小项译码器输出地址最小项二二 用用ROM实现函数实现函数ROM可以看成与阵列固定，或阵列可编程的可以看成与阵列固定，或阵列可编程的PLD器件。器件。7.1.2 只读存储器的种类只读存储器的种类掩膜只读存储器掩膜只读存储器信

8、息只能读出，不能改写。信息只能读出，不能改写。只能在工厂生产，适合大量生产的定型产品。只能在工厂生产，适合大量生产的定型产品。现场可编程只读存储器现场可编程只读存储器(PROM)可在实验室实现一次编程可在实验室实现一次编程可改写只读存储器可改写只读存储器UVEPROME2PROMFlashFRAM7.1.2 只读存储器的种类只读存储器的种类1.现场可编程只读存储器现场可编程只读存储器(PROM)每个存放数据的结点上每个存放数据的结点上有有一个一个熔断丝熔断丝,出厂时出厂时各各单元内容单元内容均均为为1,若若希望某一单元存放希望某一单元存放0，只须将该结点对应的熔断丝烧断即可。只须将该结点对应的

9、熔断丝烧断即可。在半导体电路中加入了金属丝在半导体电路中加入了金属丝,使生产工艺变得复杂；使生产工艺变得复杂；一旦将内一旦将内容写错容写错,芯片只能作为化工原料了。芯片只能作为化工原料了。7.1.2 只读存储器的种类只读存储器的种类早期早期EPROM存储单元采用浮栅雪崩注入存储单元采用浮栅雪崩注入MOS管管(简称简称FAMOS管管)，FAMOS管本身为管本身为P沟道增强型沟道增强型MOS管。管。写入操作：漏源间加写入操作：漏源间加-45V高压高压,发生雪崩击穿发生雪崩击穿,浮栅存储负电荷。浮栅存储负电荷。擦除操作：用紫外线照射约擦除操作：用紫外线照射约30分钟分钟,将浮栅上存储的电荷放掉。将浮

10、栅上存储的电荷放掉。浮栅为多晶硅浮栅为多晶硅2.可改写可改写PROM(Erasable PROM,EPROM)7.1.2 只读存储器的种类只读存储器的种类E2PROM采用浮栅隧道氧化层采用浮栅隧道氧化层MOS管管(简称简称Flotox管管)作存储作存储单元，单元，Flotox管属于管属于N沟道增强型沟道增强型MOS管，浮置栅与漏区之间由管，浮置栅与漏区之间由一个极薄的氧化层区域，称为隧道区。当隧道区的电场强度大一个极薄的氧化层区域，称为隧道区。当隧道区的电场强度大到一定程度时，便在漏区和浮置栅之间出现导电隧道，这种现到一定程度时，便在漏区和浮置栅之间出现导电隧道，这种现象称为隧道效应。象称为隧

11、道效应。3.可电擦除可电擦除PROM(Electrical Erasable PROM,E2PROM)7.1.2 只读存储器的种类只读存储器的种类闪速存储器闪速存储器Flash采用的叠栅采用的叠栅MOS管，隧道区氧化层的厚度管，隧道区氧化层的厚度为为1015nm，浮栅与源区重叠部分有源区横向扩散形成，面积，浮栅与源区重叠部分有源区横向扩散形成，面积极小，电容小。极小，电容小。SIMOS管隧道区氧化层的厚度为管隧道区氧化层的厚度为3040nm。4.闪速存储器闪速存储器(Flash Memory)7.1.2 只读存储器的种类只读存储器的种类5.铁电存储器铁电存储器(FRAM)铁电存贮器的核心技术是

12、铁电晶体材料，其最大特点是铁电存贮器的核心技术是铁电晶体材料，其最大特点是可以跟随总线速度可以跟随总线速度无限次无限次写入，而且写入功耗极低。写入，而且写入功耗极低。铁电晶体材料置于电场中时，晶阵中的每个自由浮动的铁电晶体材料置于电场中时，晶阵中的每个自由浮动的中心原子会沿着电场方向运动，从一种稳定状态到达另一种中心原子会沿着电场方向运动，从一种稳定状态到达另一种稳定状态。中心原子的稳定状态在电场撤消后可长期保留，稳定状态。中心原子的稳定状态在电场撤消后可长期保留，常温中可达一百年以上。常温中可达一百年以上。铁电晶体材料的这一特性特别适用铁电晶体材料的这一特性特别适用于制作于制作ROM。7.1

13、.2 只读存储器的种类只读存储器的种类7.1.3 随机存储器随机存储器随机存储器随机存储器(Random Access Memory，RAM)在工作时可对任在工作时可对任一存储单元读取或写入，也称为随机存取存储器。一存储单元读取或写入，也称为随机存取存储器。RAM的逻辑结构的逻辑结构静态静态RAM(Static RAM，SRAM)，数据写入后可一直，数据写入后可一直保存保存(不掉电的情况下不掉电的情况下)。动态动态RAM(Dynamic RAM，DRAM)。数据的保存时间有。数据的保存时间有限，工作中需定时刷新。限，工作中需定时刷新。7.1.3 随机存储器随机存储器7.1.4 用存储器实现逻辑

14、处理用存储器实现逻辑处理ROM可以看成一种可以看成一种与阵列固定与阵列固定，或阵列可编程或阵列可编程的的PLD器件。器件。一一 存储器实现组合逻辑存储器实现组合逻辑例例 用用ROM实现四位实现四位自然自然二进制码到循环码的转换电路。二进制码到循环码的转换电路。解：解：(1)根据题意建立真值表根据题意建立真值表(3)画出画出ROM阵列图阵列图(2)求标准积之和式求标准积之和式D0=m(1,2,5,6,9,10,13,14)D1=m(2,3,4,5,10,11,12,13)D2=m(4,5,6,7,8,9,10,11)D3=m(8,9,10,11,12,13,14,15)一一 存储器实现组合逻辑存

15、储器实现组合逻辑例例 用用ROM实现四位实现四位自然自然二进制码与循环码的转换电路。二进制码与循环码的转换电路。(3)画出画出ROM阵列图阵列图地址译地址译码器码器与运算与运算阵列阵列m0m2m4m6m8m10m12m14m1m3m5m7m9m11m13m15A3A2A1A0D3D1D0D2存储矩存储矩阵阵或运算或运算阵列阵列实现实现二进制码与循环码转换的二进制码与循环码转换的ROM的阵列图的阵列图可编程逻辑器件中可编程逻辑器件中的电路符号的电路符号地址译地址译码器码器与运算与运算阵列阵列m0m2m4m6m8m10m12m14m1m3m5m7m9m11m13m15A3A2A1A0D3D1D0D

16、2存储矩存储矩阵阵或运算或运算阵列阵列二二 存储器实现时序逻辑存储器实现时序逻辑利用利用ROM和寄存器可以实现计数器、序列信号发和寄存器可以实现计数器、序列信号发生器等时序逻辑电路。生器等时序逻辑电路。用用ROM实现时序电路实现时序电路二二 存储器实现时序逻辑存储器实现时序逻辑例例 用用ROM和触发器实现和触发器实现8421码加法计数器，计数到状态码加法计数器，计数到状态9时输出时输出1。解：解：(1)由于是由于是BCD码计数，需要码计数，需要4个触发器；个触发器；ROM需需4条地址线，条地址线，10个存储单元。个存储单元。(2)求求ROM中的存储数据中的存储数据7.2 PLA/PAL/GAL

17、可编程只读存储器可编程只读存储器ROM,PROM,EPROM,E2PROM与阵列固定与阵列固定,或阵列可编程或阵列可编程可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列 PLA与与、或阵列均可编程或阵列均可编程可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑 PAL:与阵列可编程与阵列可编程,或阵列固定或阵列固定通用阵列逻辑通用阵列逻辑 GAL:可编程逻辑宏单元可编程逻辑宏单元7.2.1 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列(PLA)可编程逻辑阵列（可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array,PLA）PLA的结构特点的结构特点与与/或阵列均可编程或阵列均可编程实现函数时实现函数时,只需

18、形成只需形成所需的乘积项所需的乘积项实现某一逻辑函数实现某一逻辑函数采用组合逻辑电路采用组合逻辑电路采用数据选择器采用数据选择器采用采用ROM实现实现采用采用PLA实现实现可编程逻辑阵列的应用解解:(1)将逻辑函数填入卡诺图将逻辑函数填入卡诺图,然后按照多输出函数的方法进行化简。然后按照多输出函数的方法进行化简。F1F2F3F4可编程逻辑阵列的应用(2)最简函数式如下：最简函数式如下：可编程逻辑阵列的应用(3)根据表达式画出根据表达式画出PLA的阵列图：的阵列图：7.2.2 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑(PAL)可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑(Programmable Array Logic,P

19、AL)PAL的结构特点的结构特点与阵列可编程与阵列可编程,或阵列固定或阵列固定与阵列可根据需要产生乘积项与阵列可根据需要产生乘积项每个输出所分配的乘积项是固定的每个输出所分配的乘积项是固定的芯片成本低芯片成本低,编程方便编程方便,具有保密位具有保密位输出结构类型多种多样输出结构类型多种多样基本的与基本的与-或类型或类型带反馈的与带反馈的与-或类型或类型具有反馈的寄存器类型具有反馈的寄存器类型带有异或门的寄存器类型带有异或门的寄存器类型包含记忆元件的可编程逻辑阵列nnQQA10应用举例例：用例：用PAL实现可控加减法模实现可控加减法模6计数器计数器7.2.3 通用阵列逻辑通用阵列逻辑GALGAL

20、的性能特点的性能特点与阵列可编程，或阵列固定；与阵列可编程，或阵列固定；采用采用E2CMOS工艺，可电擦写；工艺，可电擦写；具有具有输出逻辑宏单元输出逻辑宏单元，可通过编程选择输出组态；，可通过编程选择输出组态；具有加密单元，可有效防止复制，保密性好。具有加密单元，可有效防止复制，保密性好。7.2.3 通用阵列逻辑通用阵列逻辑GAL逻辑宏单元逻辑宏单元输入输入/输出口输出口输入端口输入端口时钟信时钟信号输入号输入三态控制三态控制可编程与阵列可编程与阵列固定或阵列固定或阵列GAL16V8输出逻辑宏单元输出逻辑宏单元OLMC输出逻辑宏单元输出逻辑宏单元OLMCOLMC的时序输出工作模式的时序输出工作模式OLMC的组合的组合I/O工作模式工作模式CLKOEDQQXOR(n)XOR(n)OLMC有有5种工作模式。下图分别为其中的时序输出模式和种工作模式。下图分别为其中的时序输出模式和组合组合I/O模式。模式。