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第八章 可编程逻辑器件 8.1 概述8.2 现场可编程逻辑阵列(FPLA)8.3 可编程阵列逻辑(PAL)8.4 通用阵列逻辑(GAL)8.5 高密度PLD8.7 现场可编程门阵列（FPGA）8.1 概述一、数字集成电路按逻辑功能分类目前集成电路分为通用型和专用型两大类。通用集成电路：如前面讲过的SSI，MSI，CPU等。特点：1. 可实现预定制的逻辑功能，但功能相对简单；2. 构成复杂系统时，功耗大、可靠性差，灵活性差。3. 用户不可编程。专用型集成电路（ASIC）分为定制型和半定制型。（一）定制型：由用户提出功能，交工厂生产。其特点是1. 体积小、功耗低、可靠性高,2. 批量小时成本高，设计制造周期长。（二）半定制型：是厂家作为通用产品生产，而逻辑功能由用户自行编程设计的ASIC芯片,如可编程逻辑器件（PLD）。其特点是：1. 用户可编程，可加密，因此使用方便；2. 组成的系统体积小，功耗低，可靠性高，集成度高；3. 适合批量生产。二、电子设计自动化（EDA－Electronic Design Automation）简介1. PLD是实现电子设计自动化的硬件基础； 传统的数字系统设计方法是“固定功能集成块+连线”，见图。EDA是“基于芯片的设计方法”：传统电子系统设计方法基于芯片的设计方法可编程器件固定功能元件芯 片 设 计电路板的设计电路板的设计电 子 系 统电 子 系 统当然，仅有硬件还不够，还要有EDA软件。本章只介绍硬件。功能仿真设计输入 原理图 硬件描述语言时序仿真设计实现 优化 合并、映射 布局、布线器 件 编 程器件测试 基于可编程逻辑器件设计分为三个步骤：设计输入、设计实现、编程。其设计流程如下图。设计实现：生成下载所需的各种文件。器件编程：即“下载”和“配置”，即将编程数据放到具体的可编程器件中。2.基于PLD设计流程采用PLD设计数字系统和中小规模相比具有如下特点： （1） 减小系统体积：单片PLD有很高的密度，可容纳中小规模集成电路的几片到十几片。（低密度PLD小于700门/片，高密度PLD每片达数万门，最高达25万门）。 （2） 增强逻辑设计的灵活性：使用PLD器件设计的系统，可以不受标准系列器件在逻辑功能上的限制；用户可随时修改。 （3）缩短设计周期：由于可完全由用户编程，用PLD设计一个系统所需时间比传统方式大为缩短； （4）用PLD与或两级结构实现任何逻辑功能，比用中小规模器件所需的逻辑级数少。这不仅简化了系统设计，而且减少了级间延迟，提高了系统的处理速度；3.用PLD设计数字系统的特点 （5）由于PLD集成度高，测试与装配的量大大减少。PLD可多次编程，这就使多次改变逻辑设计简单易行，从而有效地降低了成本； （6）提高系统的可靠性：用PLD器件设计的系统减少了芯片数量和印制板面积，减少相互间的连线，增加了平均寿命, 提高抗干扰能力，从而增加了系统的可靠性； （7）系统具有加密功能：多数PLD器件，如GAL或高密度可编程逻辑器件，本身具有加密功能。设计者在设计时选中加密项，可编程逻辑器件就被加密。器件的逻辑功能无法被读出，有效地防止电路被抄袭。PLD是70年代发展起来的新型逻辑器件，相继出现了PROM、FPLA、PAL、GAL、EPLD 和 FPGA及iSP 等。前四种属于低密度PLD，后三种属高密度PLD。输出函数输入信号输入电路与门阵列或门阵列输出电路互补输入乘积项和项反馈输入信号三、PLD概述它们组成结构基本相似：1.PLD的基本结构AAAF2F1ABCDABCD2.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×F1=A?B?CF2=B+C+D下图列出了连接的三种特殊情况:输入全编程，输出为0。也可简单地在对应的与门中画叉，因此E=D=0。乘积项与任何输入信号都没有接通，相当与门输出为1。PLD中用的逻辑图符号 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：ACABCB3.PLD的结构类型PLD基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类：（1）与固定、或编程：PROM（2）与或全编程：FPLA（3）与编程、或固定：PAL、GAL、EPLD、FPGA1） 与固定、或编程：（PROM）0 0 00 0 10 1 01 1 12） 与、或全编程： 代表器件是FPLA（Field Programmable Logic Array）3）与编程、或固定： 代表器件PAL（Programmable Array Logic） 和GAL（Generic Array Logic） 、EPLD、FPGA （Field Programmable Gate Array ）