[工学]第2章 可编程逻辑器件.docVIP

第二章 可编程逻辑器件 2.1 概述 可编程逻辑器件（PLD，Programmable Logic Devices）是20世纪70年代发展起来的一种集成器件。PLD是大规模集成电路技术发展的产物，是一种半定制的集成电路，结合计算机软件技术（EDA技术）可以快速、方便地构建数字系统。 常用的PLD就其集成度而言可分为简单PLD和复杂PLD两大类，如图2-1所示。简单PLD包括 PROM、PLA、PAL、GAL等，它们的集成度很低，每只器件中可用的逻辑门大约在500门以下。复杂PLD芯片的集成度较高，现在大量使用的CPLD、FPGA器件都属于这一类，它们是20世纪80年代中期发展起来的高密度芯片，每只器件可含有上万门可用的逻辑门。 图2-1 PLD按集成度分类 可编程器件从结构上可分为乘积项结构器件和查找表结构器件。前者的基本结构为“与-或阵列”的器件，大部分简单PLD和CPLD都属于这个范畴；后者是由简单的查找表组成可编程门，再构成阵列形式，FPGA属于此类器件。 2.2 简单可编程器件 2.2.1 PLD的基本结构 可编程逻辑器件(PLD)的基本结构如图2-2所示，它由输入缓冲器、与阵列、或阵列、输出缓冲器等4部分功能电路组成。 与阵列和或阵列是PLD的核心，通过用户编程可实现“与-或”逻辑。其中，与阵列产生逻辑函数所需的与项（乘积项），而或阵列选择所需的与项，实现或逻辑，构成“与-或”逻辑函数（乘积项之和）。 输入缓冲电路主要对输入变量进行预处理，为与阵列提供互补的输入变量，即原变量和反变量。 输出缓冲电路主要用来对输出的信号进行处理。对于不同的PLD，其输出缓冲电路的结构后很大的差别，通常含有三态门、寄存器、逻辑宏单元等。用户可根据需要进行编程，实现不同类型的输出结构，即能输出组合逻辑信号，也能输出时序逻辑信号，并能决定输出信号的极性。输出缓冲电路还可以把某些输出端，经反馈通路引回到与阵列，使输出端具有I/O功能。 图2-2 可编程逻辑器件(PLD)的基本结构 2.2.2 PLD的表示方法 用来描述PLD内部电路结构的一些表示方法，与通常逻辑电路的表示方法有所不同。这些表示法的特点是将芯片内部的结构配置与逻辑图一一对应起来，使器件制造商和电路设计者较容易掌握。PLD的表示法在电路结构、物理结构、版图的布局之间都有很巧妙的映射，因此读起来十分方便。 为了能形象地描述PLD的内部结构，并便于识读，现在广泛采用下面的逻辑表示方法。 1. 互补输入缓冲电路 PLD中互补输入缓冲电路可用如图2-3（a）所示的符号来表示，它等效与图2-3（b）的逻辑结构，即它的输出分别是输入A的原变量和反变量。 (a) (b) 图2-3 互补输入缓冲电路 2. 三态输出缓冲电路 在PLD器件封装引脚有限的情况下，为充分利用有限的引脚，常将一部分引脚用作I/O端（既可作为输入端，也可作为输出端）使用。当I/O作为输出端时，常常用到具有一定驱动能力的三态输出缓冲电路，它具有同相输出和反相输出两种形式，在PLD的逻辑电路中分别以图2-4（a）和（b）所示的符号表示，其真值表如表2-1所示。 表2-1 三态输出缓冲电路的真值表 C A F Y 0 高阻 1 0 0 1 1 1 1 0 (a) （b） 图2-4 三态输出缓冲电路 3. 与、或门阵列 由于PLD的特殊结构，用通用的逻辑门符号表示比较繁杂，特用一些常用符号来简化表示，PLD中常用符号与国际符号对照表如表2-2所示。 表2-2 PLD中常用符号与国际符号对照表 图2-5是PLD阵列中连接关系的表示。十字交叉线表示此二线未连接；交叉线的交叉点上打黑点，表示固定连接，即在PLD出厂时已连接；交叉线的交叉点上打叉，表示改点可编程，在PLD出厂后通过编程，其连接可随时改变。 图2-5 PLD的连接表示法 可编程与阵列是PLD的核心部分。为了便于对PLD逻辑关系的描述、编程和使用，可采用如图2-5所示的表示方法，它表示具有四个输入的与门。 四条竖线A、B、C、D均为输入线，输入到与门的横线称为乘积项线，输入线和乘积项线的交叉点为编程点。在编程点处接有编程器件，如熔丝或可编程的MOS器件等。若在编程点处的编程器件将输入线和乘积项线接通时，则在编程点处以“X”或“.”表示。若在编程点处的编程器件将输入线和乘积项线没有接通时，则在编程点处无“X”或“·”表示。例如，在图2-6中，输入线A与乘积项线采用固定连接；输入线B和C与乘积项线采用可编程连接；输入线D和乘积项线没有连接。因而该图中与逻辑电路的乘积项输出为F=A