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可编程逻辑器件第5章主要内容5.1概述5.2简单可编程逻辑器件5.3高密度可编程逻辑器件5.4可编程逻辑器件的编程与测试PLD器件的结构、特点和工作原理；用PLD器件实现函数。本章重点1、可编程逻辑器件的含义及用途可编

程逻辑器件，简称PLD。是一种可由用户编程来实现各种逻辑功能的器件。它作为通用型的逻辑器件出现，但它的逻辑功能却是由用户通过编程来设定，因此，它同时具有专用型器件的特点。专用型和通用型逻辑器件是数字集成电路根据逻辑特点不同进行分类得到的。2、PLD的发展历程及分类

低密度PLD：ROM、可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑GAL。高密度PLD：可擦除的可编程逻辑器件EPLD、复杂可编程逻辑器件CPLD、可编程逻辑门阵列PFGA。在系统可编程逻辑器件：ISP-PLD5

.1概述5.1.1可编程逻辑器件的发展3、可编程逻辑器件电路的表示•与门(b)输出恒等于0的与门(c)或门(d)互补输出的缓冲器(e)三态输出的缓冲器5.2简单可编程逻辑器件根据与门阵列、或门阵列和输出结构的不同，简单可

编程逻辑器件（简称简单PLD）可分为4种基本类型：PROM、PLA、PAL和GAL。简单PLD也称为低密度PLD，其基本框图为：输入缓冲电路与功能电路或功能电路输出缓冲电路输入数据输入项乘积项或项输出数据5.2.1只读存储器ROM存储器的相关概念

:半导体存储器是一种能存储大量二进制信息的半导体器件。常见的半导体存储器件举例：软盘、光盘、U盘、内存、闪存等。衡量存储器性能的两个主要指标：存储容量和存取速度。1．存贮容量定义：存贮二值信息的多少，用Bit或Byte为单位。1K=1024=2102．存取时间定义：连续两次读取（或写入

）操作所间隔的最短时间。时间越短，速度越高。存储器的分类:1.按存取功能分类只读存储器（简称ROM）随机存储器（简称RAM）掩膜ROM可编程ROM可编程可擦除的ROM快闪存储器紫外线擦除电擦除静态RAM（结

构复杂、速度快）动态RAM（结构简单、集成度高、速度慢）2.按制造工艺分类双极型MOS型（多用于大容量存储）1、掩膜ROM（1）掩膜ROM的特点不能由用户编程，其中的程序是按照用户的要求专门设计，出厂时内部存储的数据已“固化”在里边。常用来存放固定的数据或程序

，如计算机系统的引导程序、监控程序、函数表、字符表等。1、掩膜ROM存储矩阵由存储单元（二极管、双极型三极管或MOS管）排列而成。地址译码器负责将输入的地址翻译成相应的控制信号，然后根据该信号从存储矩阵中将指定单元中的数据选出，且送到输出缓冲器。输出缓冲器既可以提高存储

器的带负载能力，也可以实现对输出状态的三态控制，以便与系统的总线联接。（2）掩膜ROM的结构框图及各部分的作用地址译码器存储矩阵输出缓冲器地址输入数据输出三态控制2、可编程只读存储器PROM（1）特点在结构上，同样由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成。在出厂时已经在存储矩

阵的所有交叉点上全部制作了存储元件，即相当于在所有存储单元中都存入了1。（2）PROM举例16×8位PROM的结构原理图熔丝PROM中的内容一经写入，就不可能再修改，即只能写入一次。所以PROM不可能满足研制过程中经常修改存储内容的需要。11输出缓冲VCCA1A0D1D3

D2D0VCC地址译码器EN0W1W2W3W存储单元字线分析已存入数据的固定ROM电路。（二极管作存储单元）☆地址译码器010AAW011AAW012AAW013AAW☆存储单元0101133AAAAWWD0101010232AAAAAAWWWD

0101011231AAAAAAWWWD0101020AAAAWWD地址译码器是一个与门阵列，每一个字线对应一个最小项，且是全部最小项。存储单元是一个或门阵列，每一个位线是将所对应的与项相加，是最小项之和。位线例：固定PROM11输出缓冲VCCA

1A0D1D3D2D0地址译码器存储单元0W1W2W3W☆地址译码器（字线）和存储矩阵（位线）之间的关系。0101020AAAAWWD0101011231AAAAAAWWWD0101

010232AAAAAAWWWD0101133AAAAWWD01011010011111100011字线W和位线D的每个交叉点都是一个存储单元。交叉点接二极管时相当于存1，没有接二极管相当于存0。交叉点的数目就是存储单元数。存储容量＝

字数X位数＝4X4交叉点还可以接三极管、MOS管等。只有W0为1其余为字线为00110有0为0，全1为1。有1为1，全0为0。★PROM通用阵列图表示法：将字线和位线画成相互垂直的一个阵列，字线和位线的每一个交叉点对应一个存储单元，在交叉

点上画一个“点”，表示该单元存“1”，否则表示该单元存“0”。ABAB0W1W2W3W★PROM方框图：地址码字线位线与阵列是输入变量的全部最小项。不可编程。与项相加，可编程0D1D2D3D例：用二极管作存储单元的固定ROM3、可编程可擦除只读存储器EPROM（1）特点是一种可以

多次改写的ROM，总体结构与前面两种ROM相同。最早研究成功并投入使用的EPROM是利用紫外线照射芯片上的石英窗口，从而抹去存储器中的信息，再用电的方式写入新的信息。存储单元是用浮置栅雪崩注入型MOS管（FAMOS）构成的。3、可编程可擦

除只读存储器EPROM（2）EPROM芯片举例------2764A0~A12：13条地址输入线，表明芯片的容量是8K个单元。D0~D7：8条数据线，表明芯片中的每个存储单元存放一个字节（即8位二进制数）。9101

4131211123645782019151617182827262325242221PPV12A7A6A5A4A3A2A1A0A0D1D2DGNDCCVPGMNC8A9A11AOE10ACE7D6D5D4D3D4、电可擦除可编程只读存储器E2PROM（1）特点可用电信号进行在线擦除与重写，需要

时间很短。2716型E2PROM的容量为2K×8位，其逻辑符号为：（2）E2PROM芯片举例------27164、电可擦除可编程只读存储器E2PROMA0~A10：11条地址输入线。I/O0~I/O7：8条数据输入/输出线。5、快闪存储器（FlashMemory）

闪存具有较快的读取速度，以较大区块进行数据抹擦。由于结构的限制，其擦除次数有限，通常在1万至100万次之间。与硬盘相比，闪存的动态抗震能力更强。典型应用：笔记本、相机、U盘、手机等。5.2.2可编程逻辑阵列PLA基本结构中包括与阵列和或阵列，这两种阵列都可编程。清华大学电机系唐庆

玉2003年11月15日编AND阵列可编程OR阵列可编程O2O1O0I2I1I0输出输入问题：•图中的四个输出的逻辑式分别是什么？•该电路能否用来设计时序逻辑电路？5.2.3可编程阵列逻辑PAL可编程阵列

逻辑（ProgrammabeeArrayLogic）70年代末由MMI公司推出双极性工艺、熔丝编程方式（一次性编程）是在FPLA（现场可编程逻辑阵列）基础上发展而来的。由可编程的与逻辑阵列、固定的或逻辑阵列和输出电路组成

。1、PAL的基本电路结构及特点基本电路结构一个编程后的PAL电路：•图中的四个输出的逻辑式分别是什么？•若,则如何编程？4132143213IIIIIIIIIY•专用输出结构•可编程输入/输出结构•寄存器输出结构•异或

输出结构•运算选通反馈结构2、PAL的几种输出电路结构PAL的输出结构（1）－－专用输出结构专用输出结构的输出端只能用作输出使用。与阵列4YABCD或阵列2Y3Y1YPAL的输出结构（2）－－可编程输入/输出

结构该结构PAL的输出端是一个可编程控制的三态缓冲器，同时可以做输入端使用。1I2I1C2C1G2G3G1/OI2/OIPAL的输出结构（3）－－寄存器输出结构利用寄存器输出结构不仅可以存储与－或逻辑阵列输出的状态，而且能很方便地组成各种时序逻辑电路。PAL的输出结构（4）－－异或输

出结构利用异或输出结构不仅便于对与－或逻辑阵列输出的函数求反，还可以实现寄存器的保持操作。PAL的输出结构（5）－－运算选通反馈结构利用该结构可以产生多种算术、逻辑运算。PAL的应用（1）－－设计组合逻辑电路（例5.2）PAL的应用（2）－－设计时序逻辑电路（例5.3）PAL的应用

：GAL采用电可擦除的CMOS工艺制作，可以用电压信号擦除并可重新编程。GAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元OLMC（OutputLogicMacroCell）。通过编程可将OLMC设置成不同的工作状态，这样就可以用同一种型号的GA

L器件实现PAL器件所有的各种输出电路工作模式，从而增强了器件的通用性。GAL16V8的电路结构图5.2.4通用阵列逻辑（GAL）1、GAL的基本电路结构及特点GAL16V8I0/CLKI1I2I3I4I5I6I7I8GNDVCCF7F6F5F4F3F2F1F0I9/OE2011

1012-9脚输入（固定）1脚时钟（可定义成输入）11脚输出使能（可定义成输入）12-19脚输出（也可定义成输入）I/OOI/OGAL16V8的引脚图：2、输出逻辑宏单元(OLMC)(1)OLMC的结构图9-30OLMC的内部结构来自与逻辑阵列01PTMUXXOR(n)QQDA

C1(n)AC0反馈FMUX10110100AC0*AC1(m)*AC1(n)11100100TSUXM01OUXMUCCG2来自邻级输出(m)I/O(n)CLKOECLKOEG1一个或门：实现或逻辑，是或阵列中的一员；一个D-FF：实现时序逻辑；四

个数据选择器：实现模式控制；(由AC0和AC1(n)编程控制)门电路：辅助功能。3、OLMC的结构控制字总控制屏蔽不用乘积项极性控制当SYN=1时，8个单元都是组合型；当SYN=0时，允许每个单元自定义为组合型或寄存器型(由AC0、AC1

(n)确定)；5.3高密度可编程逻辑器件通常将集成度大于1000门/片的PLD称为高密度可编程逻辑器件（HDPLD）。可擦除可编程逻辑器件EPLD复杂可编程逻辑器件CPLD现场可编程门阵列FPGA是一种集成度比PA

L和GAL高得多的高密度PLD（1万门以上）。基本结构与PAL和GAL类似，仍由可编程的与逻辑阵列、固定的或逻辑阵列和输出逻辑宏单元（OLMC）组成。EPLD中的OLMC不仅可编程，而且OLMC中的触发器还增设了预置数和异步置零功能，因此比GAL中的OLMC有更大的使用灵活性。5.3.1

可擦除可编程逻辑器件（EPLD）5.3.2复杂可编程逻辑器件（CPLD）1.CPLD的结构（a）通用CPLD结构框图（b）逻辑块结构图逻辑块逻辑块逻辑块逻辑块逻辑块逻辑块逻辑块逻辑块器件内部的可编程连线区I/OI/O（a）内部的可编程连线区乘

积项阵列乘积项分配宏单元I/O单元（b）2.CPLD的组成Altera公司生产的MAX7000A从结构上主要包括逻辑阵列块（LAB）、宏单元、I/O控制块和可编程互连阵列（PIA）四部分。（1）逻辑阵列块（LAB）每个逻辑阵列块由16个宏单元组成，其输入信号分别

来自于PIA的36个通用逻辑输入、全局控制信号和从I/O引脚到寄存器的直接输入通道。（2）宏单元主要由与阵列、乘积项选择阵列、一个或门、一个异或门、一个触发器和四个数据选择器构成，因此，每一个宏单元就相当于一片GAL。MAX7000A所有宏单

元的OLMC都能单独的被配置成组合逻辑工作方式或时序逻辑工作方式。2.CPLD的组成（3）I/O控制块MAX7000A的每一个I/O控制块允许每个I/O引脚单独的配置成输入、输出或双向工作方式。所有I/O引脚都有一个三态输出缓冲

器，可以从6～16个全局输出使能信号中选择一个信号作为其控制信号，也可以选择集电极开路输出。（4）可编程互连阵列（PIA）PIA可以将多个LAB和I/O控制块连接起来构成所需要的逻辑功能。MAX7000A中的PIA是一组可编程的全局总线，可以将输入任何信号源送到整个

芯片的各个地方。5.3.3现场可编程门阵列（FPGA）是一种高密度PLD（3万门以上/片）。电路结构不再是由与－或逻辑阵列和输出逻辑宏单元（OLMC）组成，而是由若干独立的可编程逻辑模块组成。用户可以通过编程将这些逻辑模块连接成所需要的数字系统。FPGA的

基本结构形式示意图：可编程输入/输出I/O可编程逻辑单元C可编程布线资源CLBFPGA的大部分引脚都与可编程的IOB相连，均可根据需要设置成输入端或输出端。每个CLB中都包含组合逻辑电路和存储电路（触发器）两部分，可以设置成规模不大的组合逻辑电路

或时序逻辑电路。为了能将这些CLB灵活地连接成各种应用电路，在CLB之间的布线区内配备了丰富的连线资源。这些互连资源包括不同类型的金属线、可编程的开关矩阵和可编程的连接点。FPGA的结构特点：FPGA的优点：FPGA的这种CLB阵列结构形式克服了PA

L等PLD中那种固定的与－或逻辑阵列结构的局限性，在组成一些复杂的、特殊的数字系统时显得更加灵活。同时，由于加大了可编程I/O端的数目，也使得各引脚信号的安排更加方便和合理。FPGA的缺点：信号传输延迟时间不确定。在构成复杂的数字系统时一般总要将若干个CLB组合

起来才能实现。而由于每个信号的传输途径各异，所以传输延迟时间也就不可能相等。这不仅会给设计工作带来麻烦，而且也限制了器件的工作速度。FPGA中的编程数据具有掉电易失性。因此，每次开始工作时都要重新装载编程数据，并需要配备保存编程数据的RPROM。这些都给使用带来一些不便。保密性差。FPG

A的编程数据一般是存放在EPROM中的，而且要读出并送到FPGA的SRAM中，因而不便于保密。5.4可编程逻辑器件的编程与测试5.4.1可编程逻辑器件的开发过程可编程逻辑器件PLD的开发是指利用开发软件和编程工具对器件

进行设计开发成一个应用系统的过程。开发PLD器件必须具备以下条件：一台PC机，PLD的开发软件，编程电缆或硬件编程器以及相应的PLD器件和功能部件。开发高密度PLD器件的流程：设计要求及准备设计输入原理图硬件描述语言波形图设计处理优化、综合适配、分割布线、

布局器件编程产品功能仿真时序仿真器件测试5.4.2可编程逻辑器件的编程技术1.在系统可编程技术（ISP）在系统可编程技术（In－SystemProgrammable，简称ISP）是20世纪80年代末Lattice公司首先提出的一种先进的编程技术。ISP技术不再需要编程器，只需要通

过计算机接口和编程电缆，对已经装配在系统中的PLD进行编程。具有ISP特性的PLD均采用E2PROM编程工艺，可以反复擦写，系统掉电后信息不会丢失。5.4.2可编程逻辑器件的编程技术2.在电路可再配置技术（ICR）在电路可再配置技术（In-CircuitReconfigu

ration，简称ICR）也不需要编程器，可以直接对已经装配在电路板上的PLD器件进行编程。具有ICR特性的PLD均采用SRAM编程工艺，该工艺的编程速度比较快，但掉电后信息会丢失，因此每次上电后都需要

向SRAM中重新写入编程数据，该过程通常成为“配置”。若想改变PLD的逻辑功能，则就需要重新配置新的编程数据，该过程称为“再配置”。由于再配置是直接在电路板上进行的，因此称ICR为在电路可再配置。5.4.2可编程逻辑器件的编程技术3.边界扫描

测试技术边界扫描技术是一种应用于数字集成电路器件的标准化可测试性设计方法，提供了对电路板上元件的功能、互连及相互间影响进行测试的一种新方案，极大地方便了系统电路的测试。能实现高精度的故障定位。大大减少了产品的测试

时间，缩短了产品的设计和开发周期。边界扫描技术克服了传统针床测试技术的缺点，而且测试费用也相对较低。