电工与电子技术项目十一课件.ppt

1、了解可编程逻辑器件的种类；了解可编程逻辑器件的种类；了解数字电路的发展趋势。了解数字电路的发展趋势。学习目标学习目标学习目标学习目标掌握仿真软件中可编程逻辑器件的识别；掌握仿真软件中可编程逻辑器件的识别；能使用仿真软件在仿真中用可编程逻辑器件实现计能使用仿真软件在仿真中用可编程逻辑器件实现计数器。数器。随着集成电路和计算机技术的发展，数字电路系随着集成电路和计算机技术的发展，数字电路系统经历了分立元件、统经历了分立元件、SSISSI、MSIMSI、LSILSI和和VLSIVLSI的过程。的过程。2020世纪世纪8080年代进入专用集成电路年代进入专用集成电路ASICASIC（applicati

2、on application specific integrated circuitspecific integrated circuit）时代，）时代，ASICASIC是专为是专为某一数字系统设计、生产的集成电路，也可称为定制某一数字系统设计、生产的集成电路，也可称为定制集成电路。集成电路。制作制作ASICASIC的方法可简单地分为两大类：一类是定的方法可简单地分为两大类：一类是定制生产，由半导体生产厂家根据用户或市场的需要来制生产，由半导体生产厂家根据用户或市场的需要来制造专用的集成电路；另一类则是现场可编程方法，制造专用的集成电路；另一类则是现场可编程方法，由设计者以某种方式，利用半导体

3、厂商生产的可编程由设计者以某种方式，利用半导体厂商生产的可编程逻辑器件逻辑器件PLDPLD（programmable logic deviceprogrammable logic device）芯片制）芯片制作。可编程逻辑器件是作。可编程逻辑器件是EDAEDA（electronic design electronic design automationautomation，电子设计自动化）技术的硬件基础。，电子设计自动化）技术的硬件基础。本项目通过仿真的方式，介绍可编程逻辑器件的基本知识。可编程逻辑器件实现计数器项目要求完成的技术指标如下。（1）仿真实现PLD模块的编辑。（2）用PLD模块实现

4、六十进制计数器。本项目需要完成下列内容。（1）完成对可编程逻辑器件基本知识点的了解。（2）完成仿真PLD模块的编辑。（3）完成用PLD模块实现六十进制计数器的仿真调试。要完成可编程逻辑器件实现计数器的设计，相应的知识环节如图11-1所示。（1）2020世纪世纪7070年代初期年代初期:第一种第一种PLDPLD可编程只读存储器可编程只读存储器(PROM)(PROM)问世。问世。PROMPROM由一个由一个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列组成，阵列组成，“与与”阵列是固定的，阵列是固定的，“或或”阵列是可编程的。阵列是可编程的。（2）2020世纪世纪7070年代中期：出现了可编程逻辑阵列年

5、代中期：出现了可编程逻辑阵列(PLA)(PLA)，PLAPLA同样由一个同样由一个“与与”阵列和一个阵列和一个“或或”阵列组成，但其阵列组成，但其“与与”阵列和阵列和“或或”阵列都是阵列都是可编程的。可编程的。（3）2020世纪世纪7070年代末期：出现了可编程阵列逻辑年代末期：出现了可编程阵列逻辑(PAL)(PAL)器件。器件。PALPAL器件的器件的“与与”阵列是可编程的，而阵列是可编程的，而“或或”阵列是固定的，它有多种输出和反馈结构，阵列是固定的，它有多种输出和反馈结构，因而给逻辑设计带来了很大的灵活性。但因而给逻辑设计带来了很大的灵活性。但PALPAL器件一般采用熔丝工艺，一器件一般

6、采用熔丝工艺，一旦编程后便不能改写。旦编程后便不能改写。（4）2020世纪世纪8080年代中期年代中期:通用阵列逻辑通用阵列逻辑(GAL)(GAL)器件问世。器件问世。GALGAL器件采用高器件采用高速电可擦除速电可擦除CMOSCMOS工艺，能反复擦除和改写。特别是在结构上采用了工艺，能反复擦除和改写。特别是在结构上采用了“输出输出逻辑宏单元逻辑宏单元”电路，使一种型号的电路，使一种型号的GALGAL器件可以对几十种器件可以对几十种PALPAL器件做到全兼器件做到全兼容，给逻辑设计者带来了更大的灵活性。容，给逻辑设计者带来了更大的灵活性。（5）2020世纪世纪9090年代年代:产生了在系统编程

7、产生了在系统编程(ISP)(ISP)器件。在系统编程是指用户器件。在系统编程是指用户具有在自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑而对逻辑器件进行具有在自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复改写的能力。编程或反复改写的能力。ISPISP器件为用户提供了传统的器件为用户提供了传统的PLDPLD技术无法达到技术无法达到的灵活性，带来了极大的时间效益和经济效益，使可编程逻辑技术发生的灵活性，带来了极大的时间效益和经济效益，使可编程逻辑技术发生了实质性飞跃。了实质性飞跃。可编程逻辑器件指的是一个集成电路群的集合名称，它包括了PAL、GAL、EPLD、EPGA等，统称为PLD

8、。但有的公司把自己生产的一个具体的品种也称为PLD，则该公司的PLD被包括在我们介绍的PLD之中，是其中的一种器件。（一）可编程逻辑器件的分类（一）可编程逻辑器件的分类（二）可编程逻辑器件的表示方法（二）可编程逻辑器件的表示方法 1.PLD的连线方式 (1)“”表示该点是固定连接点。(2)“”表示该点为用户可自定义的编程点。(3)既无“”也无“”处，表示该点是断开的，或是在编程时被擦除的。2.PLD中逻辑门电路的表示法 (1)多输入端与门。(2)多输入端或门。（一）只读存储器（一）只读存储器ROMROM ROM是固定结构的存储器，它由工厂按需要存储的内容用掩膜光刻的方法生产出来。用户不能改变所

9、存内容，即不能写入，只能读出，故而得名。所有ROM的电路结构都包含地址译码器、存储单元矩阵和输出缓冲器三个部分。（二）可编程只读存储器（二）可编程只读存储器PROMPROM PROM是在固定ROM的基础上发展起来的，它针对ROM存储内容不能改写的缺点进行了改进，使设计人员可以根据自己的需要来确定其存储内容，但基本原理不变。PROM器件从物理结构上是双极型结构，其中又分为熔丝型和结破坏型。PLA器件由“与”和“或”两级可编程阵列组成。通过适当配置阵列网格点上的二极管,“与”阵列实现输入变量或输入反变量的任意逻辑积,“或”阵列实现这些变量的任意逻辑和。PLA器件的基本结构如图11-6所示。PAL器

10、件由可编程的“与”阵列、固定的“或”阵列和灵活多变的输出电路三部分组成。使用者不但可以通过对“与”逻辑阵列编程得到各种组合逻辑电路,还可以通过选择输出电路中的触发器和反馈线构成不同形式的时序电路。由于PAL器件品种较多,本项目只介绍PAL器件的基本结构。PAL器件已经给逻辑设计者带来了很大的灵活性,但是PAL器件采用熔丝工艺,一旦编程（烧录）后便不能改写。另外,虽然PAL器件的输出结构有多种形式,但对每一种型号的PAL器件来说,其输出结构是固定的,用户不能改变,且型号太多,通用性差,使设计者在选择最佳型号时遇到困难。（1）FPGA/CPLDFPGA/CPLD器件的集成度高、功能强。目前单片器件

11、的集成度高、功能强。目前单片FPGA/CPLDFPGA/CPLD的逻辑门的逻辑门数已达到十万门，完全可以满足芯片内集成系统的要求。数已达到十万门，完全可以满足芯片内集成系统的要求。（2）FPGA/CPLDFPGA/CPLD器件可靠性高、保密性好、重量轻、体积小、功耗低、速器件可靠性高、保密性好、重量轻、体积小、功耗低、速度快。度快。（3）FPGA/CPLDFPGA/CPLD器件具有可编程性和实现方案容易改动性器件具有可编程性和实现方案容易改动性,使得电路设计使得电路设计周期短周期短,占领市场速度快。占领市场速度快。（4）用用FPGA/CPLDFPGA/CPLD器件所设计的电子系统器件所设计的电

12、子系统,研制和开发成本相对较低。一研制和开发成本相对较低。一方面方面,FPGA/CPLD,FPGA/CPLD芯片在出厂之前都做过测试芯片在出厂之前都做过测试,不需要设计人员承担投片风不需要设计人员承担投片风险和费用；另一方面险和费用；另一方面,设计人员只需在自己的实验室通过相关的软件来完设计人员只需在自己的实验室通过相关的软件来完成设计成设计,节约了许多装配和调试费用。节约了许多装配和调试费用。（5）电路设计人员使用电路设计人员使用FPGA/CPLDFPGA/CPLD设计电子系统时设计电子系统时,不需具备专门的集成不需具备专门的集成电路深层次的知识电路深层次的知识,如布局布线等如布局布线等,且

13、且FPGA/CPLDFPGA/CPLD软件易学易用软件易学易用,这样这样,设计设计人员就能集中更多精力在电路设计方面。人员就能集中更多精力在电路设计方面。Altera公司的FLEX10K是工业界第一个嵌入式的PLD,由于其具有高密度、低成本、低功耗等特点,所以脱颖而出成为当今该公司应用前景最好的CPLD系列。现以FLEX10K系列为例介绍CPLD的简单知识。（1）掌握使用仿真软件调试可编程逻辑器件实现计数器的简单方法。（2）了解仿真软件中可编程逻辑器件的简单功能。（1）了解仿真软件中可编程逻辑器件的种类。（2）能使用仿真软件调试可编程逻辑器件实现计数器功能。（3）能实现六十进制计数功能。（一）

14、电路设计分析（一）电路设计分析1.管脚分布 脉冲输入端：CLK。预置控制端：LOAD。清零端：CLRN。使能端：EN。数据预置端：Da3，0、Db2，0。输出端：Qa3，0、Qb2，0。进位输出端：RCO=EN AND Qa0 AND Qa2 AND Qb0 AND Qb2。2.真值表3.封装电路（二）元件选取及电路组成（二）元件选取及电路组成1.元件选取2.电路组成（三）仿真分析（三）仿真分析（1）本项目的仿真实现需要Multisim 10版本以上软件的支持。（2）本项目仅仅是作为一个可编程逻辑器件简单应用的展示，因此未做更多复杂知识的介绍，学习者只需体会可编程逻辑器件在使用中与传统数字电路芯片应用的不同点即可。