数字电子技术之可编程逻辑器件培训课件(-57张).ppt
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- 数字 电子技术 可编程 逻辑 器件 培训 课件 57
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1、主要内容主要内容5.1 概述概述5.2 简单可编程逻辑器件简单可编程逻辑器件5.3 高密度可编程逻辑器件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可编程逻辑器件的编程与测试uPLD器件的结构、特点和工作原理;器件的结构、特点和工作原理;u用用PLD器件实现函数。器件实现函数。本章重点本章重点1、可编程逻辑器件的含义及用途、可编程逻辑器件的含义及用途可编程逻辑器件,简称可编程逻辑器件,简称PLD。是一种可由用户编程来实现各种逻。是一种可由用户编程来实现各种逻辑功能的器件。它作为辑功能的器件。它作为通用型通用型的逻辑器件出现,但它的逻辑功能却的逻辑器件出现,但它的逻辑功能却是由用户通过
2、编程来设定,因此,它同时具有是由用户通过编程来设定,因此,它同时具有专用型专用型器件的特点。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。分类得到的。2、PLD的发展历程及分类的发展历程及分类低密度低密度PLD:ROM、可编程逻辑阵列、可编程逻辑阵列PLA、可编程阵列逻辑、可编程阵列逻辑PAL、通用阵列逻辑通用阵列逻辑GAL。高密度高密度PLD:可擦除的可编程逻辑器件:可擦除的可编程逻辑器件EPLD、复杂可编程逻辑、复杂可编程逻辑器件器件CPLD、可编程逻辑门阵列、可编程逻辑门阵列PFGA。在系统可编程逻
3、辑器件在系统可编程逻辑器件:ISP-PLD5.1 概述概述5.1.1 可编程逻辑器件的发展可编程逻辑器件的发展3、可编程逻辑器件电路的表示、可编程逻辑器件电路的表示与门与门 (b)输出恒等于输出恒等于0的与门的与门 (c)或门或门 (d)互补输出的缓冲器互补输出的缓冲器(e)三态输出的缓冲器三态输出的缓冲器 5.2 简单可编程逻辑器件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(简称简单逻辑器件(简称简单PLD)可分为)可分为4 种基本类型:种基本类型:PROM、PLA、PAL 和和GAL。简单。简单PLD 也
4、称为低密度也称为低密度PLD,其基本框,其基本框图为: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 只读存储器只读存储器ROM存储器的相关概念存储器的相关概念: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。件。常见的半导体存储器件举例:软盘、光盘、常见的半导体存储器件举例:软盘、光盘、U盘、内存、盘、内存、闪存等。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。衡量存储器性能的两个主要指标:存储容量和存取速度。1 1存贮容量存贮容量 定义:定义:存贮二值信息的多少,用存贮二值信息的多
5、少,用BitBit或或ByteByte为单位。为单位。1K=1024=21K=1024=210102 2存取时间存取时间定义:定义:连续两次读取(或写入)操作所间隔的最短时间。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。时间越短,速度越高。存储器的分类存储器的分类:1.按存取功能分类按存取功能分类只读存储器只读存储器(简称(简称ROM)随机存储器随机存储器(简称(简称RAM)掩膜掩膜ROM可编程可编程ROM可编程可擦除的可编程可擦除的ROM快闪存储器快闪存储器紫外线擦除紫外线擦除电擦除电擦除静态静态RAM(结构复杂、速度快)(结构复杂、速度快)动态动态RAM(结构简单、集成
6、度高、速(结构简单、集成度高、速度慢)度慢)2.按制造工艺分类按制造工艺分类双极型双极型MOS型(多用于大容量存储)型(多用于大容量存储)1、掩膜、掩膜ROM(1)掩膜)掩膜ROM的特点的特点u不能由用户编程,其中的程序是按照用户的要求专门设不能由用户编程,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计,出厂时内部存储的数据已“固化固化”在里边。在里边。u常用来存放固定的数据或程序,如计算机系统的引导程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。序、监控程序、函数表、字符表等。1、掩膜、掩膜ROM存储矩阵由存储单元(二极管、双极型三极管或存储矩
7、阵由存储单元(二极管、双极型三极管或MOS管)排列而成。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。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。三态控制,以便与系统的总线联接。(2)掩膜)掩膜ROM的结构框图及各部分的作用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
8、输出三态控制2、可编程只读存储器、可编程只读存储器PROM(1)特点)特点u在结构上,同样由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器在结构上,同样由地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器三部分组成。三部分组成。u在出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存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储元件,即相当于在所有存储单元中都存入了1。(2)PROM举例举例168 位位PROM 的结构原理图的结构原理图熔丝熔丝 PROM 中的内容一中的内容一经写入,就不可能再修改,经写入,就不可能再修改,即只能写入一次。即只能写入一次。所以所以PROM不可能满足研制过不
9、可能满足研制过程中经常修改存储内容的程中经常修改存储内容的需要。需要。11输出缓冲输出缓冲VCCA1A0D1D3D2D0VCC地址译码器EN0W1W2W3W存储单元字线字线 分析已存入数据的固定分析已存入数据的固定ROM电路。(二极管作存电路。(二极管作存储单元)储单元)地址译码器地址译码器010AAW 011AAW 012AAW 013AAW 存储单元存储单元0101133AAAAWWD0101010232AAAAAAWWWD0101011231AAAAAAWWWD0101020AAAAWWD 地址译码器是一个地址译码器是一个与门与门阵列阵列,每一个字线对应一个,每一个字线对应一个最小项,且
10、是全部最小项。最小项,且是全部最小项。存储单元是一个存储单元是一个或门阵列或门阵列,每一个位线,每一个位线是将所对应的与项相加,是最小项之和。是将所对应的与项相加,是最小项之和。位位线线例:固定例:固定PROM11输出缓冲输出缓冲VCCA1A0D1D3D2D0地地址址译译码码器器存存储储单单元元0W1W2W3W 地址译码器(字线字线)和存储矩阵(位线位线)之间的关系。0101020AAAAWWD0101011231AAAAAAWWWD0101010232AAAAAAWWWD0101133AAAAWWD0 01 10 01 11 10 01 10 00 01 11 11 11 11 11 10
11、00 00 01 11 1字线字线W W和位线和位线D D的每个交叉点都是的每个交叉点都是一个存储单元。交叉点接二极管一个存储单元。交叉点接二极管时相当于存时相当于存1 1,没有接二极管相当,没有接二极管相当于存于存0 0。交叉点的数目就是存储单。交叉点的数目就是存储单元数。元数。存储容量字数存储容量字数X位数位数4X4交叉点还可以接三极管、交叉点还可以接三极管、MOSMOS管等。管等。只有只有W W0 0为为1 1其余为字其余为字线为线为0 00 01 11 10有有0 0为为0 0,全,全1 1为为1 1。有有1 1为为1 1,全,全0 0为为0 0。PROM通用阵列图表示法:将字线和位线
12、画成相互垂直将字线和位线画成相互垂直的一个阵列,字线和位线的的一个阵列,字线和位线的每一个交叉点对应一个存储每一个交叉点对应一个存储单元,在交叉点上画一个单元,在交叉点上画一个“点点”,表示该单元存,表示该单元存“1”1”,否则表示该单元存否则表示该单元存“0”0”。ABAB0W1W2W3W PROM方框图:地址码地址码字线字线位线位线与与阵列是输入阵列是输入变量的全部最变量的全部最小项。不可编小项。不可编程程。与项相与项相加,可加,可编程编程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可编程可擦除只读存储器EPROM(1)特点)特点u是一种可以多次改写的是一种
13、可以多次改写的ROM,总体结构与前面两种,总体结构与前面两种ROM 相同。相同。u最早研究成功并投入使用的最早研究成功并投入使用的EPROM 是利用紫外线照射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。方式写入新的信息。u存储单元是用浮置栅雪崩注入型存储单元是用浮置栅雪崩注入型MOS 管(管(FAMOS)构)构成的。成的。3、可编程可擦除只读存储器可编程可擦除只读存储器EPROM(2)EPROM芯片举例芯片举例-2764uA0 A12:13条地址输入线,条地址输入线,表明芯片的容量是表明芯片的容量是8K个
14、单元。个单元。uD0 D7:8条数据线,表明芯条数据线,表明芯片中的每个存储单元存放一个字片中的每个存储单元存放一个字节(即节(即8位二进制数)。位二进制数)。91014131211123645782019151617182827262325242221PPV12A7A6A5A4A3A2A1A0A0D1D2DGNDCCVPGMNC8A9A11AOE10ACE7D6D5D4D3D4、电、电可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器E2PROM(1)特点)特点u可用电信号进行在线擦除与重写,需要时间很短。可用电信号进行在线擦除与重写,需要时间很短。2716 型型E2PROM 的容量为的容量为2K
15、8 位,其逻辑符号为:位,其逻辑符号为:(2)E2PROM芯片举例芯片举例-27164、电、电可擦除可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器E2PROMuA0 A10:11条地址输入线。条地址输入线。uI/O0 I/O7:8条数据输入条数据输入/输出线。输出线。5、快闪存储器(、快闪存储器(Flash Memory)u闪存闪存具有较快的读取速度具有较快的读取速度,以较大区块进行数据抹擦。,以较大区块进行数据抹擦。u由于结构的限制,其擦除次数有限,通常在由于结构的限制,其擦除次数有限,通常在1万至万至100万万次次之间。之间。u与硬盘相比,闪存的动态抗震能力更强。与硬盘相比,闪存的动态抗震能力更强
16、。u典型应用:典型应用:笔记本、相机、笔记本、相机、U盘、手机等。盘、手机等。5.2.2 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA基本结构中包括与阵列和或阵列,这两种阵列都可编程。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清华大学电机系唐庆玉2003年年11月月15日编日编AND阵列可编程OR阵列可编程O2 O1 O0I2 I1 I0输出输入问题:问题:图中的四个输出的图中的四个输出的逻辑式分别是什么?逻辑式分别是什么?该电路能否用来设该电路能否用来设计时序逻辑电路?计时序逻辑电路?5.2.3 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PALu可编程阵列逻辑(可编程阵列逻辑(Progr
17、ammabee Array Logic)u70年代末由年代末由MMI公司推出公司推出u双极性工艺、熔丝编程方式(一次性编程)双极性工艺、熔丝编程方式(一次性编程)u是在是在FPLA(现场可编程逻辑阵列)基础上发展而来的。(现场可编程逻辑阵列)基础上发展而来的。u由可编程的与逻辑阵列、固定的或逻辑阵列和输出电路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。组成。1、PAL的基本电路结构及特点的基本电路结构及特点基基本本电电路路结结构构一个编程后的一个编程后的PAL电路:电路:图中的四个输出的逻辑式分别是什么?图中的四个输出的逻辑式分别是什么?若若 ,则如何编程?则如何编程?4132143
18、213IIIIIIIIIY专用输出结构专用输出结构可编程输入可编程输入/输出结构输出结构寄存器输出结构寄存器输出结构异或输出结构异或输出结构运算选通反馈结构运算选通反馈结构2、PAL的几种输出电路结构的几种输出电路结构PAL的输出结构(的输出结构(1)专用输出结构)专用输出结构专用输出结构的输出端只能用作输出使用。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(的输出结构(2)可编程可编程输入输入/输出结构输出结构 该结构该结构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。可以做输入端使用
19、。1I2I1C2C1G2G3G1/OI2/OIPAL的输出结构(的输出结构(3)寄存器输出结构)寄存器输出结构 利用寄存器输出结构不仅可以存储利用寄存器输出结构不仅可以存储与或与或逻辑阵列输出的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。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(的输出结构(4)异或输出结构)异或输出结构 利用异或输出结构不仅便于对利用异或输出结构不仅便于对与或与或逻辑阵列输出的函数逻辑阵列输出的函数求反,还可以实现寄存器的保持操作。求反,还可以实现寄存器的保持操作。PAL的输出结构(的输出结构(5)运算选通反馈结构)运算选通反馈结构利用该结构可以
20、产生多种算术、逻辑运算。利用该结构可以产生多种算术、逻辑运算。PAL的应用(的应用(1)设计组合逻辑电路)设计组合逻辑电路(例(例5.2)PAL的应用(的应用(2)设计时序逻辑电路)设计时序逻辑电路(例(例5.3)PAL的应用:的应用:uGAL采用电可擦除的采用电可擦除的CMOS工艺制作,可以用电压信号工艺制作,可以用电压信号擦除并可重新编程。擦除并可重新编程。uGAL器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元器件的输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元OLMC(Output Logic Macro Cell)。)。u通过编程可将通过编程可将OLMC设置成不同的工作状态,这样就可以设置成不同的工作状
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