1可编程逻辑器件基础.ppt
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1、一、可编程逻辑器件基础一、可编程逻辑器件基础大规模可编程器件技术大规模可编程器件技术2021/9/171一、可编程逻辑器件基础一、可编程逻辑器件基础1.可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD)的定义的定义2.PLD的基本原理与结构的基本原理与结构3.PLD的发展历程的发展历程4.PLD的分类的分类5.低密度低密度PLD的原理与结构的原理与结构6.CPLD的原理与结构的原理与结构7.FPGA的原理与结构的原理与结构8.FPGA/CPLD器件的配置器件的配置9.FPGA/CPLD器件概述器件概述2021/9/1721.可编程逻辑器件的定义可编程逻辑器件的定义可编程逻辑器件可编程逻辑器件(PLD,Pr
2、ogrammable Logic Device)PLD是厂家作为一种通用型器件生产的是厂家作为一种通用型器件生产的半定制半定制电路,用户利电路,用户利用软、硬件开发工具对器件进行设计和编程,通过配置器件内用软、硬件开发工具对器件进行设计和编程,通过配置器件内部部可编程逻辑单元可编程逻辑单元和和可编程连线可编程连线来实现所需要的逻辑功能。来实现所需要的逻辑功能。数字集成电路数字集成电路数字芯片数字芯片2021/9/1732.PLD的基本原理与结构(一)的基本原理与结构(一)任何任何组合逻辑组合逻辑均可化为均可化为“与或与或”表达式,从而用表达式,从而用“与门与门-或或门门”的电路来实现的电路来实
3、现任何任何时序电路时序电路可由组合电路加上存储元件(触发器)构可由组合电路加上存储元件(触发器)构成成从原理上说从原理上说“与或与或”阵列加上寄存器的结构就可以实现任阵列加上寄存器的结构就可以实现任何的数字逻辑电路何的数字逻辑电路PLD器件采用与或阵列加上可灵活配置的互连线实现器件采用与或阵列加上可灵活配置的互连线实现基本原理基本原理2021/9/1742.PLD的基本原理与结构(二)的基本原理与结构(二)“与阵列与阵列”和和“或阵列或阵列”为主体,实现各种逻辑函数和逻辑为主体,实现各种逻辑函数和逻辑功能功能输入缓冲:增强输入信号的驱动能力;产生输入信号的原变输入缓冲:增强输入信号的驱动能力;
4、产生输入信号的原变量和反变量;量和反变量;输出缓冲:对输出信号进行处理,能输出组合逻辑信号和时输出缓冲:对输出信号进行处理,能输出组合逻辑信号和时序逻辑信号。输出缓冲一般含有三态门、寄存器单元。序逻辑信号。输出缓冲一般含有三态门、寄存器单元。PLD的基本结构2021/9/1753.PLD的发展历程(一)的发展历程(一)熔丝编程的熔丝编程的PROM和和PLA器件器件(70年年代中期)代中期)PAL器件器件 GAL器件器件LatticeLattice公司公司(80年代初)年代初)EPLD器件器件8080年代中年代中(Altera(Altera公司公司)CPLD器件器件EPLDEPLD的改进型的改进
5、型FPGA器件器件19851985年年(Xilinx(Xilinx公司公司)内嵌复杂功能内嵌复杂功能模块的模块的SoPC 存储器做为PLD使用规模小编程繁琐设计灵活速度快第1个广泛应用的PLD输出逻辑宏单元可重复编程集成度更高设计更灵活2021/9/1763.PLD的发展历程(二)的发展历程(二)PROM(可编程只读存储器可编程只读存储器)EPROM(紫外线可擦除存储器紫外线可擦除存储器)E2PROM(电可擦除存储器电可擦除存储器)PLA(可编程逻辑阵列)可编程逻辑阵列)PAL(可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑)GAL(通用阵列逻辑通用阵列逻辑)CPLD(复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件)FP
6、GA(现场可编程门阵列现场可编程门阵列)2021/9/1774.PLD的分类(一)的分类(一)1)按集成度分)按集成度分一般将一般将GAL22V10(500门门750门门)作为简单)作为简单PLD和复杂和复杂PLD的分水岭的分水岭2021/9/1784.PLD的分类(二)的分类(二)简单简单PLD(SPLD)也称低密度也称低密度PLD(LDPLD)结构简单,成本低、速度高、设计简便,但其规模结构简单,成本低、速度高、设计简便,但其规模较小较小(通常每片只有数百门通常每片只有数百门),难于实现复杂的逻辑。,难于实现复杂的逻辑。按编程部位分类LDPLD分类分类与阵列与阵列或阵列或阵列输出电路输出电
7、路可编程类型可编程类型可编程只读存储器PROM固定可编程固定半场可编程可编程逻辑阵列PLA可编程可编程固定全场可编程可编程阵列逻辑PAL可编程固定固定半场可编程通用阵列逻辑GAL可编程固定逻辑宏单元(OLMC)半场可编程2021/9/1794.PLD的分类(三)的分类(三)分类分类结构形式结构形式类型类型可擦除可编程逻辑器件(EPLD)与或阵列阵列型复杂可编程逻辑器件(CPLD)与或阵列阵列型现场可编程门阵列(FPGA)门阵列单元型复杂复杂PLD也称高密度也称高密度PLD(HDPLD)2021/9/17104.PLD的分类(四)的分类(四)2)按照可以编程的次数分:)按照可以编程的次数分:一次
8、性编程器件(一次性编程器件(OTP,One Time Programmable)可多次编程器件可多次编程器件OTP类器件的特点是:只允许对器件编程一次,不能修类器件的特点是:只允许对器件编程一次,不能修改,而可多次编程器件则允许对器件多次编程,适合于改,而可多次编程器件则允许对器件多次编程,适合于在科研开发中使用。在科研开发中使用。2021/9/17114.PLD的分类(五)的分类(五)3)按编程元件和编程工艺分类)按编程元件和编程工艺分类(1)熔丝(熔丝(Fuse)(2)反熔丝(反熔丝(Antifuse)编程元件)编程元件(3)紫外线擦除、电可编程,如紫外线擦除、电可编程,如EPROM。(4
9、)电擦除、电可编程方式,电擦除、电可编程方式,(EEPROM、快闪存储器(、快闪存储器(Flash Memory),如多数),如多数CPLD(5)静态存储器(静态存储器(SRAM)结构,如多数)结构,如多数FPGA 非易失性非易失性非易失性非易失性器件器件器件器件易失性器件易失性器件2021/9/1712简单的可编程功能简单的可编程功能原码反码输出始终为高电平2021/9/1713通过熔丝连接通过熔丝连接-OTP(一次性可编程)(一次性可编程)熔丝熔丝输出始终为低电平输出始终为低电平熔断熔丝熔断熔丝布尔表达式布尔表达式2021/9/1714通过反熔丝连接通过反熔丝连接-OTP(一次性可编程)(
10、一次性可编程)2021/9/1715基于熔丝工艺的基于熔丝工艺的PROM缓冲器与门或门2021/9/1716基于基于EPROM的存储器的存储器缓冲器与门或门未编程时:晶体管有效,导通输出低电平编程后:晶体管失效输出高电平通过紫外射线可以擦出编程状态缺点:价格昂贵、擦出时间长(长达20分钟)2021/9/1717基于基于EEPROM的存储器的存储器缓冲器与门或门1.EEPROM单元的面积大约为EPROM单元面积的2.5倍2.电可擦除2021/9/1718基于闪存(基于闪存(flash)的存储器)的存储器缓冲器与门或门1.在EPROM和EEPROM结构的基础上发展而来2.擦除速度快3.整块擦除或以
11、字为单位擦除2021/9/1719基于基于SRAM的存储器的存储器缓冲器与门或门uDRAM(动态存储器)作为存储器使用单元面积小(单晶体管-电容对构成)需要动态刷新uSRAM(静态存储器)存储器与可编程逻辑中均使用单元面积大(4-6个晶体管配制成锁存器)断电后配置数据丢失可迅速和反复的编程(配置)以以SRAM为基础的可编程单元为基础的可编程单元2021/9/1720可编程技术小结可编程技术小结2021/9/17215.低密度低密度PLD的原理与结构(一)的原理与结构(一)常见逻辑符号表示方法常见逻辑符号表示方法缓冲器与门或门2021/9/17225.低密度低密度PLD的原理与结构(二)的原理与
12、结构(二)SPLD包括:包括:PROM、PLA、PAL、GAL“与或与或”阵列为基本结构,通过编程改变阵列为基本结构,通过编程改变“与阵列与阵列”和和“或或阵列阵列”的内部连接来实现不同的逻辑功能。的内部连接来实现不同的逻辑功能。2021/9/17235.低密度低密度PLD的原理与结构(三)的原理与结构(三)1)PROM的结构的结构与阵列函数驱动与阵列函数驱动可编程的或阵列函数可编程的或阵列函数阵列规模大、速度低,主要作为存储器用阵列规模大、速度低,主要作为存储器用2021/9/17245.低密度低密度PLD的原理与结构(四)的原理与结构(四)与阵列固定与阵列固定或阵列可编程或阵列可编程202
13、1/9/17255.低密度低密度PLD的原理与结构(五)的原理与结构(五)用用PROM实现简单的组合逻辑实现简单的组合逻辑逻辑电路与真值表逻辑电路与真值表2021/9/17265.低密度低密度PLD的原理与结构(六)的原理与结构(六)已编程的已编程的RPOM2021/9/17275.低密度低密度PLD的原理与结构(六)的原理与结构(六)2)PLA的基本结构的基本结构与阵列可编程与阵列可编程或阵列可编程或阵列可编程输出电路固定输出电路固定 阵列规模小,编程复杂阵列规模小,编程复杂2021/9/17285.低密度低密度PLD的原理与结构(七)的原理与结构(七)3)PAL的基本结构的基本结构与阵列可
14、编程与阵列可编程或阵列固定或阵列固定输出电路固定输出电路固定熔丝编程,双极性工艺,熔丝编程,双极性工艺,输出端含宏单元(有触发器)输出端含宏单元(有触发器)速度快,编程灵活速度快,编程灵活第一个得到广泛应用的第一个得到广泛应用的PLD2021/9/17295.低密度低密度PLD的原理与结构(八)的原理与结构(八)4)GAL的结构的结构可实现可实现PAL的所有功能的所有功能PAL是是PROM熔丝工艺,为一次编程器件,而熔丝工艺,为一次编程器件,而GAL是是EEPROM工艺,可重复编程工艺,可重复编程PAL的输出是固定的,而的输出是固定的,而GAL用一个可编程的输出逻用一个可编程的输出逻辑宏单元(
15、辑宏单元(OLMC)做为输出电路。)做为输出电路。GAL比比PAL更更灵活,功能更强,应用更方便,几乎能替代所有的灵活,功能更强,应用更方便,几乎能替代所有的PA器件器件2021/9/17305.低密度低密度PLD的原理与结构(九)的原理与结构(九)GAL22V10的结构(局部)的结构(局部)2021/9/17315.低密度低密度PLD的原理与结构(十)的原理与结构(十)GAL22V10的的OLMC结构结构通过通过S1和和S0控制输出是低控制输出是低电平有效还是高电平有效、电平有效还是高电平有效、是组合逻辑输出还是寄存是组合逻辑输出还是寄存器输出器输出S1和和S0可通过编程控制可通过编程控制2
16、021/9/17326.CPLD的原理与结构(一)的原理与结构(一)前面所述前面所述PROM、PLA、PAL、GAL器件都属于器件都属于低密度器件,而低密度器件,而EPLD、CPLD和和FPGA都属于高密度都属于高密度器件。在低密度器件中,只有器件。在低密度器件中,只有GAL还在使用,主要用还在使用,主要用在中、小规模数字逻辑方面。现在的可编程逻辑器件以在中、小规模数字逻辑方面。现在的可编程逻辑器件以大规模、超大规模集成电路工艺制造的大规模、超大规模集成电路工艺制造的CPLD、FPGA为主。为主。2021/9/17336.CPLD的原理与结构(二)的原理与结构(二)CPLD是阵列型高密度可编程
17、控制器,其基本结构形式是阵列型高密度可编程控制器,其基本结构形式和和PAL、GAL相似,都由可编程的与阵列、固定的或阵列相似,都由可编程的与阵列、固定的或阵列和逻辑宏单元组成,但集成规模都比和逻辑宏单元组成,但集成规模都比PAL和和GAL大得多。大得多。基本由三部分组成:基本由三部分组成:宏功能模块 I/O控制块 连线阵列2021/9/17346.CPLD的原理与结构(三)的原理与结构(三)CPLD的结构图2021/9/17356.CPLD的原理与结构(四)的原理与结构(四)宏功能模块,也称宏单元宏功能模块,也称宏单元每个宏单元由以下几个功能块组成:每个宏单元由以下几个功能块组成:逻辑阵列(可
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