中国矿业大学 复杂可编程逻辑器件与应用课件 第二章

浮栅存储元件的结构与工作原理
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用浮栅技术生产的编程元件包括： 用浮栅技术生产的编程元件包括： 1、紫外线擦除、电编程的EPROM； 、紫外线擦除、电编程的 ； 2、电擦除、电编程的E2PROM 、电擦除、电编程的 3、快闪存储器(Flash Memory,即闪存 。 、快闪存储器 即闪存)。 即闪存 这三种存储器都是用浮栅存储电荷的方法来保存编 程数据，断电后存储的数据不会丢失。 程数据，断电后存储的数据不会丢失。
PLD中的编程元件 PLD中的编程元件
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可编程逻辑器件要实现编程应用,其编程信息必须存储在芯片 可编程逻辑器件要实现编程应用 其编程信息必须存储在芯片 内部的编程元件中。或者说 内部的编程元件中。或者说PLD（包括全部 （包括全部SPLD、CPLD、 、 、 FPGA）必须使用某些特定的电子开关或能够存储逻辑配置数 ）必须使用某些特定的电子开关或能够存储逻辑配置数 来作为它的编程元件。 据的存储器来作为它的编程元件 据的存储器来作为它的编程元件。 现代PLD使用的内部编程元件主要有如下三种类型： 使用的内部编程元件主要有如下三种类型： 现代 使用的内部编程元件主要有如下三种类型 (1) 一次性编程的熔丝 一次性编程的熔丝(Fuse)或反熔丝 或反熔丝(Antifuse)开关 开关; 或反熔丝 开关 、 (2) 基于浮栅技术的存储器。包括紫外线电擦除和电擦除的EPROM、 基于浮栅技术的存储器。包括紫外线电擦除和电擦除的 E2PROM与Flash Memory(闪速存储器，简称为闪存 ； 闪速存储器， 与 闪速存储器 简称为闪存)； (3) 允许无限次编程使用的静态存储器SRAM。 允许无限次编程使用的静态存储器 。
数字电路的基本组成
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F = ∑ mi
与、或阵列举例
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PROM
I2 I1 I0 或阵列（可编程）
PAL
I2 I1 I0 或阵列（固定）
与阵列（可编程）
与阵列（固定） O2 O1 O0
O2
O1
O0
锁存器输出结构举例
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锁存器输出能反馈到与阵输入
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由于这种通用型可编程逻辑器件主要是利用“ 由于这种通用型可编程逻辑器件主要是利用“与”阵列和 阵列和 “或”阵列来实现数字逻辑功能，故称这种可编程逻辑器件为阵 阵列来实现数字逻辑功能， 来实现数字逻辑功能 列（ARRAY）型PLD。 ARRAY） PLD。
阵列型简单PLD器件可分成 大类型： 器件可分成4大类型 阵列型简单 器件可分成 大类型：
OTP－One Time Programming －
PLD器件的分类－－按编程和配置特性分 PLD器件的分类－－按编程和配置特性分 器件的分类－－
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非易失性器件 用EEPROM或flash memory进行编程，被大多数 CPLD器件所采用。 不用每次上电重新下载，但相对速度慢，功耗较大。 易失性器件 用SRAM进行编程，被大多数公司的FPGA器件所采 用。 每次上电需重新下载，实际应用时需外挂EEPROM 用于保存配置数据。
PLD中逻辑符号与电路的简化表示方法 PLD中逻辑符号与电路的简化表示方法
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黑点“ ” 黑点“●” －－固定连通 －－固定连通 星花“×” 星花“ －－可编程 －－可编程 无任何标记 －－固定断开 －－固定断开
与门
乘积项
PLD中与门、或门的逻辑符号表示和连接表示方式 PLD中与门、 中与门
PLD器件的分类－－按结构特点分 PLD器件的分类－－按结构特点分 器件的分类－－
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基于与或阵列结构的器件－－阵列型 基于与或阵列结构的器件－－阵列型 －－ PROM，E2PROM，PAL，GAL，CPLD CPLD的代表芯片如：Altera的MAX系列芯片 的 基于门阵列结构的器件－－单元型 基于门阵列结构的器件－－单元型 －－ FPGA FPGA的代表芯片如： Altera的FLEX系列芯片 XILINX的SPARTAN/4000/5200系列芯片 XILINX的XC3000/VIRTEX系列芯片
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组合逻辑电路的基本构成框
X1、X2、-----、Xn是输入信号（也可称为输入变量）， 、 、 是输入信号（ 、 是输入信号 也可称为输入变量）， Z1、Z2、-----、Zm是输出信号，即输入信号的函数。 、 、 是输出信号， 、 是输出信号 即输入信号的函数。 其中：Z1=f1(X1、X2、· · ·、Xn) 其中： 、 、 、 Z2=f2(X1、X2、· · ·、Xn) 、 、 、 Zm=fm(X1、X2、· · ·、Xn) 、 、 、

PLD器件的分类－－按编程次数分 PLD器件的分类－－按编程次数分 器件的分类－－
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多次可编程 用EEPROM、 flash memory或SRAM 作为编程单元， 可反复编程使用，实现系统功能的动态重构； 一次可编程 熔丝或反熔丝编程器件作为编程单元，只能一次编程 (OTP器件)，在设计初期阶段不灵活。 体积小，集成度高，速度高，易加密，抗干扰，耐高 温。
F = ∑ mi
时序逻辑电路的基本构成框图
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图中： 是时序电路的输入信号， 图中：X1 ——Xn是时序电路的输入信号， 是时序电路的输入信号 Z1 ——Zm是时序电路的输出信号， 是时序电路的输出信号， 是时序电路的输出信号 Y1——Yr为内部输出（即存储电路的输入驱动信号） 为内部输出（ 为内部输出 即存储电路的输入驱动信号） y1——ys为存储电路的状态输出（即电路的内部输入信号） 为存储电路的状态输出（ 为存储电路的状态输出 即电路的内部输入信号）
PLD中的编程元件（ PLD中的编程元件（续） 中的编程元件
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熔丝(Fuse)或反熔丝 或反熔丝(Antifuse)开关为一次性编程使用的非易 熔丝 或反熔丝 开关为一次性编程使用的非易 失性元件，编程后即使系统断电， 失性元件，编程后即使系统断电，它们中存储的编程信息不会丢 失。但它们只能写一次，故称之为OTP编程元件。 但它们只能写一次，故称之为 编程元件。 编程元件 基于浮栅技术的E 基于浮栅技术的 2PROM和快闪存储器也是非易失性的编程元 和快闪存储器也是非易失性的编程元 件，但它们允许多次反复编程写入，并可为器件设置保密位，以 但它们允许多次反复编程写入，并可为器件设置保密位， 防止对PLD的非法复制。 的非法复制。 防止对 的非法复制 静态存储器SRAM属于易失性的编程元件，掉电后它存储的配 属于易失性的编程元件， 静态存储器 属于易失性的编程元件 置数据将立即消失，但它能在工作过程中快速编程。 置数据将立即消失，但它能在工作过程中快速编程。
数字电路知识要点
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数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。 数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。 组合逻辑电路 两大类 构成组合逻辑电路的基本电路元件是“与门”电路、 构成组合逻辑电路的基本电路元件是“与门”电路、“或 门”电路和“非门”电路。 电路和“非门”电路。 任何组合逻辑电路都可表示为其所有输入信号的最小项的 任何组合逻辑电路都可表示为其所有输入信号的最小项的 或者最大项的积的形式。 最大项的积的形式 和或者最大项的积的形式。 时序逻辑电路则是在组合逻辑电路的基础上，加上存储与 时序逻辑电路则是在组合逻辑电路的基础上， 反馈电路而得到。 反馈电路而得到。 时序逻辑电路使用触发器作为存储元件。 时序逻辑电路使用触发器作为存储元件。触发器记忆电路 的状态。 的状态。其反馈信号和输入信号通过逻辑组合再决定电路的 输出信号。 输出信号。 由于触发器也是用门电路实现的，所以门电路 最基本的是与 由于触发器也是用门电路实现的，所以门电路(最基本的是与 或门、非门)是构成数字电路的基本部件 是构成数字电路的基本部件。 门、或门、非门 是构成数字电路的基本部件。
数字电路的基本组成
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通用型数字逻辑电路设计： 通用型数字逻辑电路设计： 1、设计一个有n个输入端的与门阵列，该与门阵列可由用户按 设计一个有n个输入端的与门阵列， 要求编程控制， 产生需要的输出乘积项（最小项）。 要求编程控制，以产生需要的输出乘积项（最小项）。 2、设计一个最多有2n个输入端的或门阵列，该或门阵列可按用 设计一个最多有2 个输入端的或门阵列， 户要求对与门阵列输出的乘积项进行逻辑加， 户要求对与门阵列输出的乘积项进行逻辑加，以产生满足用户需 逻辑加 要的组合逻辑函数输出。 要的组合逻辑函数输出。 3、对或门阵列的输出信号按用户要求进行存储，并将存储信号 对或门阵列的输出信号按用户要求进行存储， 反馈连接至与门阵列，以作为其内部输入信号。 反馈连接至与门阵列，以作为其内部输入信号。
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PLD器件的分类－－按集成度分 PLD器件的分类－－按集成度分 器件的分类－－
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低密度（SPLD） 低密度（ ） PROM,EPROM,E2PROM,PAL,PLA,GAL； －－只能完成较小规模的逻辑电路 高密度（CPLD） 高密度（ ） CPLD,FPGA； －－已经有超过600万门的FPGA器件； －－可用于设计大规模的数字系统集成度高，甚至可以 做到SOC（System On a Chip）。
第二章 可编程逻辑器件基础 PLD基本原理与基本结构 PLD基本原理与基本结构 PLD器件的分类 PLD器件的分类 PLD中的编程元件 PLD中的编程元件 PROM的结构和特点 PROM的结构和特点 PLA的结构和特点 PLA的结构和特点 PAL的结构和特点 PAL的结构和特点 GAL的结构和特点 GAL的结构和特点 PLD器件的编程方法与应用 PLD器件的编程方法与应用