第07章 可编程逻辑器件_v2.ppt

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1、第七章 可编程逻辑器件陈杰数字电路与逻辑设计北京邮电大学 信息与通信工程学院第七章 可编程逻辑器件n集成电路的发展集成电路的发展:n小规模集成电路小规模集成电路:几十几十 几百门几百门n中规模集成电路中规模集成电路:几百几百 几千门几千门n大规模集成电路大规模集成电路:几千几千 几万门几万门n超大规模集成电路超大规模集成电路:几万门以上几万门以上奔腾奔腾IV拥有拥有4200万只晶体管万只晶体管 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。它的缺是传统数字系统设计中使用的主要逻辑器件。它的缺点是密度低点是密度低,数字

2、系统硬件规模大数字系统硬件规模大,印刷线路板走线复印刷线路板走线复杂杂,焊点多焊点多,系统的可靠性差、功耗大、时延大。系统的可靠性差、功耗大、时延大。第七章 可编程逻辑器件n通用集成电路通用集成电路:如如RAMn专用集成电路专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits,ASIC)ASIC是是为为满满足足特特定定功功能能需需求求设设计计和和制制造造的的专专用用芯芯片片。密密度度高高,能能大大大大减减少少系系统统的的规规模模和和功功耗耗,提提高高系系统统的的可可靠靠性性和和工工作速度。作速度。n全定制电路全定制电路:按照电路的要求按照电路的要求,由

3、半导体器件生产厂家专门由半导体器件生产厂家专门 设计与制造。设计与制造。n半定制电路半定制电路:由由器件生产厂商预先做好器件生产厂商预先做好单元电路组成单元电路组成,用户用户 可编程可编程,有一定通用性。有一定通用性。n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,用户可以借助开发工具对器件进用户可以借助开发工具对器件进 行编程来确定其功能。行编程来确定其功能。7.1 只读存储器只读存储器 ROMn存存储器用来存放数据器用来存放数据,常常见的有的有半半导体存体存储器器(ROM,RAM)、光存光存储器器(如如C

4、D,DVD)、磁介磁介质存存储器器(如磁如磁带、磁、磁盘)等等.nROM在正常使用在正常使用时只能只能读取取，掉掉电后信息不后信息不丢失失(非易失性非易失性)，一一般用于存放固定的数据或程序。般用于存放固定的数据或程序。nROM通常有：掩膜式通常有：掩膜式ROM、一次可一次可编程程ROM(PROM)、紫紫外光可擦除外光可擦除ROM(U-EPROM)、电可擦除可擦除ROM(EEPROM)。7.1.1 ROM可作为一种可作为一种PLD器件器件存储器的组成：存储器的组成：n存存储矩矩阵n地址地址译码器译码器n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

5、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、只读存储器的结构7.1.1 ROM可作为一种可作为一种PLD器件器件 ROM可以看成一种与阵列固定，或阵列可编程的可以看成一种与阵列固定，或阵列可编程的PLD器件。器件。一、只读存储器的结构二 用ROM实现函数例例 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。解：解：(1)根据题意建立真值表根据题意建立真值表(2)求标准积之和式求标准积之和式(3)画出画出ROM阵列图阵列图D0=m(1,2,5,6,9,10,13,14)D1=m(2

6、,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)二 用ROM实现函数例例 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的阵列图的阵列图先看下页图例先看下页图例可编程逻辑器件中的电路符号7.

7、1.2 ROM的种类的种类n掩膜只读存储器掩膜只读存储器n信息只能读出，不能改写。信息只能读出，不能改写。n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。n现场可编程只读存储器现场可编程只读存储器(PROM)n可在实验室实现一次编程可在实验室实现一次编程n可改写只读存储器可改写只读存储器nUVEPROMnE2PROMnFlashnFRAM7.1.2 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)n每个存放数据的每个存放数据的结点上点上有有一个一个熔断熔断丝,出厂出厂时各各单元内容元内容均均为1,若若希望某一希望某一单元

8、存放元存放0，只只须将将该结点点对应的熔断的熔断丝烧断即可。断即可。n在半在半导体体电路中加入了金属路中加入了金属丝,使生使生产工工艺变得复得复杂；一旦将内；一旦将内容写容写错,芯片芯片只能作只能作为化工原料了。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

9、分钟分钟,将浮栅上存储的电荷放掉。将浮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到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，这种现象称一定程度时，便在漏区和浮置栅之间

10、出现导电隧道，这种现象称为隧道效应。为隧道效应。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

11、存储器(FRAM)铁电存贮器是一种全新的存贮器，其核心技术是铁电铁电存贮器是一种全新的存贮器，其核心技术是铁电晶体材料。铁电存贮器的最大特点是可以跟随总线速度无晶体材料。铁电存贮器的最大特点是可以跟随总线速度无限次的写入，而且写入功耗极低。限次的写入，而且写入功耗极低。当铁电晶体材料置于电场中，晶阵中的每个自由浮动当铁电晶体材料置于电场中，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稳定状态。中心原子的稳定状态在电场撤消后可长期一种稳定状态。中心原子的稳定状态在电场撤消后可长期保留，常温中可达一百年以上。保留，常温

12、中可达一百年以上。铁电晶体材料的这一特性铁电晶体材料的这一特性特别适用于特别适用于ROM。7.2 PLA/PAL/GALn可编程只读存储器可编程只读存储器 ROM,PROM,EPROM,E2PROMn与阵列固定与阵列固定,或阵列可编程或阵列可编程n可编程逻辑器件可编程逻辑器件 PLDn可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列 PLAn与、或阵列均可编程与、或阵列均可编程n可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑 PAL:n与阵列可编程与阵列可编程,或阵列固定或阵列固定n通用阵列逻辑通用阵列逻辑 GAL:n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（P

13、rogrammable Logic Array,PLA）PLA的结构特点的结构特点n与与/或阵列均可编程或阵列均可编程n实现函数时实现函数时,只需形成只需形成 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n采用组合逻辑电路采用组合逻辑电路n采用数据选择器采用数据选择器n采用采用ROM实现实现n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

14、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,PAL)nPAL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n与阵列所产生的乘积项可根据需要安排与阵列所产生的乘积项可根据需要安排n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n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 n输出结构类型多种多样输出结构类型多种多样n基本的与基本的与-或类型或类型n带反馈的与带反馈的与-或类型或类型n具有反馈的寄存器类型具有反馈的寄存器类型n带有异或门的

15、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7.2.3 通用阵列逻辑通用阵列逻辑GALnGAL的性能特点的性能特点n与阵列可编程，或阵列固定；与阵列可编程，或阵列固定；n采用采用E2CMOS工艺，可电擦写；工艺，可电擦写；n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；n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第七章习题n作业题：作业题：7-1，7-2n思考题：7-3 7-4