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1、第六章 可编程逻辑器件PLD,可编程逻辑器件PLD概述,可编程逻辑器件PLD的基本单元,可编程只读存储器PROM和可编程逻辑阵列PLA,可编程阵列逻辑PAL和通用阵列逻辑GAL,高密度可编程逻辑器件HDPLD原理及应用,现场可编程门阵列FPGA,随机存取存储器RAM,小结,第一节 可编程逻辑器件PLD概述,PLD是70年代发展起来的新型逻辑器件。,一、PLD的基本结构,与门 阵列,乘积项,PLD主体,输入 电路,输入信号,互补 输入,输出函数,或门 阵列,和项,输出 电路,F2=B+C+D,二、PLD的逻辑符号表示方法,1. 输入缓冲器表示方法,2. 与门和或门的表示方法,固定连接,编程连接,
2、F1=ABC,下图给出最简单的PROM电路图，右图是左图的简化形式。,实现的函数为：,固定连接点 （与）,编程连接点 （或）,三、PLD的分类,1与阵列固定，或阵列可编程： 可编程只读存储器PROM 可擦除编程只读存储器EPROM,PLD基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类：,2与阵列，或阵列均可编程： 可编程逻辑阵列PLA,3与阵列可编程，或阵列固定： 可编程阵列逻辑PAL 通用阵列逻辑GAL 高密度可编程逻辑器件HDPLD,0 0 0,0 0 1,0 1 0,1 1 1,连接点编程时，需画一个叉。,全译码,1与阵列固定，或阵列可编程,2. 与、或全编程：,代表器件是PLA（Pr
3、ogrammable Logic Array）。在PLD中，它的灵活性最高。下图给出了PLA的阵列结构。,由于与或阵列均能编程的特点，在实现函数时，所需的是简化后的乘积项之和，这样阵列规模比PROM小得多。,不像PROM那样与阵列需要全译码。,3. 与编程、或固定：代表器件PAL（Programmable Array Logic） 和GAL（Generic Array Logic）。,在这种结构中，或阵列固定若干个乘积项输出。,每个交叉点都可编程。,F1,F1为两个乘积项之和。,各种PLD的结构特点,第二节 可编程逻辑器件PLD的基本单元,编程单元：PLD中用来存放数据的基本单元。,非易失性有
4、多种编程单元，其特点是掉电后信息不会丢失，它一般用于只读存储器。,易失性单元：,这种基本单元采用的是静态随机存储器（SRAM）结构，其特点是掉电以后信息就要丢失。以后讲到的现场可编程门阵列（FPGA）采用这种编程单元。,非易失性单元：,第二节 可编程逻辑器件PLD的基本单元,编程单元：PLD中用来存放数据的基本单元。,一次编程：,信息一次编程固定好，编程元件是PROM。,多次编程：,用户根据需要将数据储存在编程单元中，并可以多次写入和擦除，例如：UV EPROM、E2PROM以及闪速（Flash）存储器等。,编程单元采用 的是浮栅技术。,用熔丝型开关和反熔丝型开关 作为编程单元,一、熔丝型开关
5、,0,0,0 0 0 0,4字4位熔丝结构的PROM,被选中的字线为高电平,熔丝均 被烧断,一、熔丝型开关,1,1,1 0 0 1,熔丝均 被烧断,4字4位熔丝结构的PROM,二、反熔丝型开关,用高压将PLICE介质击穿。击穿后呈低电阻。,三、浮栅编程技术,用浮栅编程技术生产的编程单元是一种能多次改写的ROM。,（一）叠栅型（SIMOS）存储单元,问题：浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。 在70o环境中，全部电荷放完需100年。,用紫外线照射芯片上的玻璃窗，则形成光电电流。,UV EPROM芯片上开有一个石英玻璃窗口,（二）隧道型（FLOTOX）储存单元,电可改写只读存储器E2PROM，即电擦
6、除、电编程的只读存储器。,（三）闪速型（Flash）存储单元,又称为快擦快写存储单元。,（四）六管静态存储单元,闪速存储单元的可再编程能力约为10万次左右，SRAM有无限制的再编程能力。,第三节 可编程只读存储器PROM和可编程逻辑阵列PLA,一、可编程只读存储器PROM,PROM的结构是与阵列固定、或阵列可编程的PLD器件。对于有大量输入信号的PROM，比较适合作为存储器来存放数据，它在计算机系统和数据自动控制等方面起着重要的作用。,例1： 下图是一个8（字线）4（数据）的存储器数据阵列图。,对于较少的输入信号组成的与阵列固定、或阵列可编程的器件中，也可以很方便地实现任意组合逻辑函数。,3线
7、-8线译码器,84存储单元矩阵,输出缓冲器,由地址译码器选中不同的字线，被选中字线上的四位数据通过输出缓冲器输出。,如当地址码A2A1A0000时，通过地址译码器，使字线P01，将字线P0上的存储单元存储的数据0000输出，即D0D30000。,0 0 0,1,0 0 0 0,将左图地址扩展成n条地址线，n位地址码可寻址2n个 信息单元，产生字线为2n条，其输出若是m位，则存储器的 总容量为2nm位。,EPROM有各种类型的产品，下图是紫外线擦除、电可编程的EPROM2716器件逻辑框图和引脚图。,EPROM2716是2118位可改写存储器，有11位地址线A0A10，产生字线为2048条，D7
8、D0是8位数据输出/输入线，编程或读操作时，数据由此输入或输出。,下图是将2片2716扩展成204816的数据的连接示意图。,由此可写出输出逻辑函数的最小项表达式为： F1m（4,8,9,12,13,14） F2m（0,5,10,15） F3m（1,2,3,6,7,11）,（2）把A1A0和B1B0作为PROM的输入信号，F1、F2和F3为或阵列的输出，下图是用PROM实现比较器的阵列图。,例2：试用适当容量的PROM实现两个两位二进制数比较的比较器。,（3）选用PROM的容量163位可满足要求。,可见，以PROM实现简单的组合逻辑电路函数是很方便的。,0 . . . 15,实际上，大多数组合
9、逻辑函数的最小项不超过40个，使得PROM芯片的面积利用率不高，功耗增加。,一般PROM输入地址线较多，容量也较大，又因为PROM的与阵列固定，必须进行全译码，产生全部的最小项。,为解决这一问题，考虑与阵列也设计成可编程形式来实现组合逻辑，由这一设想发明了可编程逻辑阵列（PLA）。,二、可编程逻辑阵列PLA,可编程逻辑阵列PLA和PROM相比之下，有如下特点：,（一）PROM是与阵列固定、或阵列可编程，而PLA是与和或阵列全可编程；,（二）PROM与阵列是全译码的形式，而PLA是根据需要产生乘积项，从而减小了阵列的规模；,（三）PROM实现的逻辑函数采用最小项表达式来描述。而用PLA实现逻辑函
10、数时，运用简化后的最简与或式；,（四）在PLA中，对多输入、多输出的逻辑函数可以利用公共的与项，因而提高了阵列的利用率。,例3: 试用PLA实现四位自然二进制码转换成四位格雷码。,（1）设四位自然二进制码为B3B2B1B0，四位格雷码为G3G2G1G0，其对应的真值表如下表所示。,根据表列出逻辑函数并简化，得最简输出表达式如下：,（2）转换器有四个输入信号，化简后需用到7个不同的乘积项，组成4 个输出函数，故选用四输入的74PLA实现，下图是四位自然二进制码转换为四位格雷码转换器PLA阵列图。,右图仅用七个乘积项，比PROM全译码少用9个，实现的逻辑功能是一样的。从而降低了芯片面积，提高了芯片
11、利用率，所以用它来实现多输入、多输出的复杂逻辑函数较PROM有优越之处。,PLA除了能实现各种组合电路外，还可以在或阵列之后接入触发器组，作为反馈输入信号，实现时序逻辑电路。,与阵列,或阵列,四个自然二进制码输入,例4：PLA和D触发器组成的同步时序电路如图所示，要求： （1）写出电路的驱动方程、输出方程。 （2）分析电路功能，画出电路的状态转换图。,解：（1） 根据PLA与或阵列的输入/ 输出关系，可直接得到各触发器的激励方程及输出方程：,D0,（2）先设定电路的状态，根据触发器的激励方程和输出方程，可列出下表所示的电路状态转换表。,根据状态转换表，画出下图所示的电路状态转换图。,该电路是能
12、够自启动的同步六进制计数器。,第七节 随机存取存储器（RAM）,在计算机及数据处理系统中需要存放大量数据、中间结果、表格等设备，可以用随机存取存储器RAM。,RAM可分为单极型和双极型，这里只以单极型RAM为例进行分析。,单极型RAM又可分为静态RAM与动态RAM：静态RAM是用MOS管触发器来存储代码，所用MOS管较多、集成度低、功耗也较大。动态RAM是用栅极分布电容保存信息，它的存储单元所需要的MOS管较少，因此集成度高、功耗也小。静态RAM使用方便，不需要刷新。,一、RAM的基本结构,RAM的基本结构如下图所示：,存储矩阵、,地址译码器,读写电路,地址,片选信号,读写控制信号,数据输入
13、和输出信号,下图是二元寻址的M字1位RAM结构图，它的存储矩阵是位。地址译码器分行译码器和列译码器，只有行及列共同选中的单元才能进行读、写。这种寻址的方式所需要行线和列线的总数较少。例如要存储256字1位的容量，采用一元寻址就需要256条字线，若采用二元寻址只需=16，=16，共32条线也就可以了。,R,行 地 址 全 0,列 地 址 全 0,1,1,3. PROM是编程只读存储器，可用来存储程序、固定数据。 程序及数据是以二进制码的形式事先存入PROM中;,1. 存储器分为RAM 和ROM ；,2. RAM是随机存取存储器，分动态和静态；,4. PROM除了存储数据外，还可以组成逻辑函数;,5. 编程逻辑器件还包括EPROM、PLA、PAL和GAL等；,小 结,自我检测：6.1，6.2，6.3，6.6，6.9，6.11 思考题： 6.1，6.2 习题： 6.4，6.9 ， 6.11（注意：第一版图中右边应该是或阵列， 书上写成“与阵列”，错了，请改过 来）,作 业,
