第02讲可编程逻辑器件结构.pptx

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1、数字系统的VHDL设计——可编程逻辑器件结构课程内容数字系统硬件设计概述FPGA设计基础VHDL语言数字系统设计(VHDL+FPGA)可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概念(PLD,ProgrammableLogicDevice)PLD泛指由用户编程，用户可以配置的逻辑器件。它的基本逻辑结构由与阵列和或阵列组成，能够有效地实现“标准与或式”形式的布尔逻辑函数。PLD的基本框图PLD器件PLD诞生于20世纪70年代，经历了从PROM→PLA→PAL→GAL[低密度PLD]到SPLD→CPLD→FPGA[高密度PLD]的发展过程。最早的可编程逻辑器件，它包含两个基本部分：逻辑阵列是用户

2、可编程的部分，它由“与”阵列、“或”阵列及反相器组成。输出单元的作用是使设计者能改变PLD的输出结构。输入信号通过“与”阵列组合成为乘积项，这些乘积项在“或”阵列中相加，经输出单元或宏单元输出。PLD器件以“与”“或”阵列结构(即乘积项Product-Term)为基础的PLD器件包括：可编程只读存储器PROM可编程逻辑阵列PLA可编程阵列逻辑PAL通用可编程阵列逻辑GAL简单可编程逻辑器件SPLD复杂可编程逻辑器件CPLD以查找表(LUT,Look-UpTable)结构为基础的PLD器件包括：现场可编程门阵列FPGAPLD器件分类根据结构，集成度，编程方法分类：结构[基于乘积项(

3、与/或阵列可编程性)/基于LUT]PROM,PLA,PAL,GAL,SPLD,CPLDFPGA集成度[低/高]PROM,PLA,PAL,GALSPLD,CPLD,FPGA编程方法掩模ROM熔丝/反熔丝PROM,PAL,PAL,Microsemi(原Actel)FPGA浮栅GAL,CPLDSRAM编程Xilinx/AlteraFPGAPLD器件——PROM最早出现的PLD就是可编程只读存储器PROM。它是由固定连接的“与”阵列和可编程的“或”阵列组成。PLD器件——PROMPROM缺点：由于与阵列是固定的，不需编程，灵活性较差。而大多数逻辑函数不需要使用输入的全部可能组合，这就使得

4、PROM的与阵列不能充分利用，造成浪费。为了增大芯片的容量，与门阵列可以做的很大，但阵列愈大，开关延迟时间愈长，速度较慢。PLD器件——PLAPLA结构：PLA中包含一个可编程连接的“与”阵列和一个可编程连接的“或”阵列，为了减小阵列规模，提高器件速度，与门阵列不采用全译码式，与门个数小于2n(n为输入项数)。PLD器件——PLAPLA应用示例：例如:O0=I0·I1·I2+NOT(I1)·I2O1=I0·I1·I2+NOT(I0)·NOT(I1)·NOT(I2)+I0·NOT(I1)·I2O2=NOT(I0)·NOT(I1)·NOT(I2)+I1·I2PLD器件——PLAPLA

5、器件除了实现组合逻辑外，还可实现时序逻辑。PLA器件对于逻辑功能的处理比较灵活，但处理逻辑功能较简单的电路时比较浪费资源，相应的编程工具花费也较大。因此在PLA器件的基础上，发展了PAL器件和GAL等PLD器件。PLD器件——PALPAL：可编程阵列逻辑PAL对PLA的可编程结构进行了进一步的简化，其与阵列可编程，或阵列固定。PLD器件——PALPAL器件具有灵活的设计功能，与PLA器件相比，体积小，功耗低，速度快，有防止复制该逻辑的保密熔丝，可实现产品的加密功能。缺点是PAL器件采用的熔丝工艺，一旦编程，无法改写，而且不同的输出结构需要选用不同型号的PAL器件。PLD器件——G

6、ALGAL是基于PAL结构的增强型器件，具有与PAL器件相同的基本结构形式，既采用可编程的“与”阵列及固定的“或”阵列结构，但是编程方式不同。GAL有如下优点：采用CMOS的浮栅工艺可以重复编程由于采用CMOS工艺而使器件速度提高，功耗下降具有不挥发性，在器件掉电后不必对GAL器件重新编程有一种“安全保护单元”，允许对GAL器件实现安全保护采用了一种可编程输出逻辑宏单元OLMC(OutputLogicMacroCell)输出逻辑宏单元OLMCGAL器件输出逻辑宏单元(OLMC)OLMC的作用提供时序电路需要的寄存器或触发器。提供多种形式的输入/输出方式。提供内部信号反馈，控制输出

7、逻辑极性。分配控制信号，如寄存器的时钟和复位信号，三态门的输出使能信号。PLD的编程方法——熔丝熔丝(Fuse)型开关每个编程互联节点上有熔丝，需要连接，保留熔丝；若需断开，则用比工作电流大得多的编程电流烧断熔丝。一次性编程。熔丝占芯片面积较大。PLD的编程方法——反熔丝反熔丝(Antifuse)型开关未编程时开关呈高阻(例如一对反向串联的肖特基二极管)，当编程电压加在开关上将介质击穿后(使一个二极管永久性击穿而短路)，开关呈现导通状态。一次性编程。antifusepolysil