第六章数字电子技术要点分析.ppt

第六节 现场可编程门阵列FPGA 前面讨论的可编程逻辑器件基本组成部分是与阵列、或阵列和输出电路。再加上触发器则可实现时序电路。 本节介绍的FPGA（Field Programmable Gate Array）不像PLD那样受结构的限制，它可以靠门与门的连接来实现任何复杂的逻辑电路，更适合实现多级逻辑功能。 各种新型的现场可编程门阵列FPGA功能更加丰富，具有很高的密度和速度等等。 一、现场可编程门阵列FPGA结构 FPGA的编程单元是基于静态存储器（SRAM）结构，从理论上讲，具有无限次重复编程的能力。 下面介绍XILINX公司的XC4000E系列芯片，见下图： 可配置逻辑 模块CLB 输入/输出 模块I/OB 可编程连 线PI 编程开关 矩阵PSM 二、现场可编程门阵列FPGA的特点 （一）SRAM结构：可以无限次编程，但它属于易失性元件，掉电后芯片内信息丢失。通电之后，要为FPGA重新配置逻辑，FPGA配置方式有七种。请同学参考有关文献。 （二）内部连线结构：HDPLD的信号汇总于编程内连矩阵，然后分配到各个宏单元。它的信号通路固定，系统速度可以预测。而FPGA的内连线是分布在CLB周围，而且编程的种类和编程点很多，布线相当灵活，其在系统速度方面低于HDPLD的速度。 （三）芯片逻辑利用率：由于FPGA的CLB规模小，可分为两个独立的电路，又有丰富的连线，所以系统综合时可进行充分的优化，以达到逻辑最高的利用。 （四）芯片功耗：高密度可编程逻辑器件HDPLD的功耗一般在0.5～2.5W之间，而FPGA芯片功耗0.25～5mW之间，静态时几乎没有功耗，所以称FPGA为零功耗器件。 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：双极型工作速率高，但是集成度不如单极型的高。目前，由于工艺水平的不断提高，单极型RAM的速率已经可以和双极型RAM相比，而且单极型RAM具有功耗低的优点。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 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α×β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α=16，β=16，共32条线也就可以了。 α β R 列 地 址 全 0 行 地 址 全 0 1 1 W 二、存储单元 RAM中的存储单元可由双极型管组成，也可由MOS管组成。 MOS管可以工作于静态，也可以工作于动态，而双极型管单元大多工作于静态。 （一）MOS静态单元如下图所示： T0、T1、T2及T3构成 RS触发器。 T4及T5是行选管， 是一行中公用的 0 0 1 1 0 1 1 当使能为低电平，写也为低电 平时，三态门2将输入数据Di通过 T6、T4作用于T3栅极，同时将Di的 互补值通过T7及T5作用于T2的栅极， 从而使触发器按Di翻转，完成写入。 T6及T7是列选管， 是一列公用的 动态存储单元，靠 栅极电容C1及C2存储电 荷。 （二）动态MOS存储单元如下图 如写入“1”，只需在数 据线上作用“1”便可以给 C2充上足够的电荷，而C1则 不被充电，表示记入了“1”。 当刷新端为高电压时， 负载管T3、T4导通，同时 行线加高电压使T6、T5导 通，构成RS触发器，其状 态由C1及C2中的电压决定。 栅极电容保留信息只 有一段时间，需定期地刷 新，以免信息丢失，所以 在每一行上设有刷新电路。 当X、Y线为高电平 时，T5、T6、T7及T8都 导通，此单元接至数据线。 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. RA