第2章 可编程逻辑器件

3 . PAL
• 尽管用PLA实现逻辑电路的效率远远高于PROM，但PLA也有不足之 处，主要是与阵列和或阵列均采用可编程开关，而可编程开关需占用 较多的芯片面积，并会引入较大的信号延时，因此，PLA的结构不利 于提高器件的集成度和工作速度。20世纪70年代出现了可编程阵列逻 辑PAL。 • PAL是Programmable Array Logic的缩写，即可编程阵列逻辑。 • PAL也是PLD的一种，采用“与”、“或”阵列结构，但是与PROM 不同，PAL的“或”阵列是固定的，而“与”阵列则是可以编程的。 随着VLSI技术的不断发展和提高，允许设计规模较大的“与”阵列。 因此PAL为用户对“与”阵列编程带来了很大方便。在逻辑表达式中 一般可以简化到几个积项，很少超过8个。所以在PAL中，每一个或 门输入最多可以有8个乘积项，这样为用户编程提供基于E2PROM或FLASH存储器 进行编程，编程次数可达1万次，优点是系 统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分 为在编程器上编程和在系统编程两类。 • 不同的芯片生产厂商，其编程的工具、方 法以及电路都不尽相同，如Xilinx、Altera 以及Lattice公司的下载电路，都不相同，这 里不一一给出，如果需要，可以到相关参 考书籍或网上搜索下载。
1 . CPLD概述
• CPLD是Complex Programmable Logic Device的缩写，即复杂的可 编程逻辑器件。Altera为了突出特性，曾将自己的CPLD器件称为 EPLD(Enhanced Programmable Logic Device)，即增强型可编程逻 辑器件。其实EPLD和CPLD属于同等性质的逻辑器件，目前Altera为 了遵循称呼习惯，已经将其EPLD统称为CPLD。CPLD是在PAL、 GAL的基础上发展起来，釆用E2CMOS工艺，也有少数厂商釆用 Flash工艺，其基本结构由可编程I/O单元、基本逻辑单元、布线池和 其他辅助功能模块构成。CPLD可实现的逻辑功能比PAL、GAL有了 大幅度的提升，一般可以完成设计中较复杂、较髙速度的逻辑功能， 如接口转换、总线控制等。CPLD的主要器件供应商有：Altera、 Lattice和Xinlinx等。 • CPLD基本上沿用了GAL的阵列结构，在一个器件内集成了多个类似 GAL的大模块，大模块之间通过一个可编程集中布线池连接起来。在 GAL中只有一部分引脚是可编程的，其他引脚都是固定的输入脚；而 在CPLD中，所有的信号引脚都可编程，故称为I/O口。
• PLD阵列的表示方法：PLD可以用阵列图来 表示，阵列图是将缓冲器、与门阵列和或 门阵列组合起来构成的。图中，A、B为输 入信号，F1 F2 F3为输出信号。与阵列固 定，或阵列可编程。
PLD阵列的表示方法
• PLD阵列的表示方法
2 . PLA
• PROM能够实现逻辑函数的最小项表达式，而最 小项表达式是一种非常繁琐的与-或表达式，当变 量较多时，PROM实现逻辑函数的效率极低。但 按最简与-或表达式实现逻辑函数的成本最低，为 此人们针对PROM的缺点设计了专门用来实现逻 辑电路的可编程器件PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)。PLA的基本结构类似于 PROM，但它提供了对逻辑功能处理更有效的方 法，它的与阵列和或阵列都可编程。其与阵列可 按需要产生任意的与项，因此用PLA可以实现逻 辑函数的最简与-或表达式。
2 .CPLD的基本结构
• 典型CPLD的内部结构都含有通用逻辑模块GLB。GLB的作用主要是 实现逻辑功能。它由可编程与阵列、共享或阵列及可重构触发器等电 路组成，其中最具特色的是共享或阵列。首先，各或门的输入端固定， 属于固定型或阵列，这一点与GAL相同，但各或门的输入端个数不同， 既便于实现繁简程度不一的逻辑函数，又可提高与、或阵列的利用率； 其次，或门的输出又接到一个可编程或阵列中，在需要时实现或门的 扩展，应对复杂的逻辑函数。可重构触发器组可以根据需要构成D、 JK或T触发器，GLB内部的所有触发器都是同步工作的，时钟信号可 以有多种选择。 • 大部分的CPLD是基于乘积项（Product-Term）结构的。采用这种结 构的CPLD芯片有：Altera的MAX7000、MAX3000系列（E2PROM工 艺），Xilinx的XC9500系列（0.35μm CMOS Fast Flash工艺）和 Lattice的ispMACH4000、ispMACH5000（0.18μm E2CMOS工艺） 系列器件，Cypress的大部分产品，它们的结构都基本相同，都是由 可编程I/O单元、基本逻辑单元和其他辅助功能模块构成。
2.1 简单可编程逻辑器件
• 简单可编程逻辑器件是指在芯片内部集成 的硬件资源相对较小、应用的场合相对简 单，而且实现的逻辑功能不是很复杂，通 常都是实现一些简单的逻辑操作，比如与、 或、非、与非、或非以及同或、异或等逻 辑功能，主要包括PLD、PAL、GAL等几种 可编程逻辑器件。
1. PLD
第2章 可编程逻辑器件
• 随着数字电子技术日新月异的发展，70年代后出现了存放 用户程序的可编程只读存储器（PROM），用户可以方便 地实现不同的逻辑电路，由此便出现了最早的可编程逻辑 器件（Programmable Logic Device，PLD）。该类器件 具有结构灵活、集成度高、处理速度快和可靠性高等特点， 因此发展极其迅速，从早期的仅几百门规模、需专用编程 器编程的简单可编程器件，发展到数百万门规模、可在线 直接编程的高密度可编程器件，在工业控制和产品开发等 方面得到了广泛的应用。 • 各种可编程逻辑器件可以分为简单可编程逻辑器件 （Programmable Logic Device，PLD）、复杂可编程逻 辑器件（Complex Programmable Logic Device， CPLD）、现场可编程器门阵列（Filed Programmable Gate Array，FPGA）等。
• 典型的GAL器件有两类，一类是与阵列可编程、或阵列固 定的电路结构，另一类GAL器件的与阵列和或阵列都可以 编程，是一种新型的GAL器件。 • 典型的GAL器件GAL18V10结构如图2-4所示，器件型号 中的18表示最多有18个引脚作为输入端，10表示器件内 含有10个OLMC，最多可有10个引脚作为输出端。 GAL18V10的阵列图由五部分组成：10个输入缓冲器、10 个输出缓冲器、10个输出逻辑宏单元、可编程与门阵列和 10个输出反馈/输入缓冲器。除此以外，还有时钟信号、 三态控制端、电源及地线端。由于GAL中各寄存器的时钟 信号是统一的，因此单片GAL器件只能实现同步时序电路。
GAL18V10的陈列结构图
2.2 复杂可编程逻辑器件（CPLD）
• 随着集成电路规模的不断提高，在20世纪80年代出现了比GAL规模更 大的可编程器件，由于它们基本上沿用了GAL的电路结构，故称其为 复杂可编程逻辑器件CPLD，又称为阵列扩展型PLD。此后在90年代 初，Lattice公司率先提出了在系统可编程技术，即无需编程器，可在 用户的电路板上对器件直接进行在线编程的技术，并推出了一批具有 在系统编程能力的CPLD器件，使PLD技术发展到了新的高度。由于 CPLD由若干个大的与-或阵列构成，故又称为大粒度的PLD。 • 在可编程器件发展的同时，人们将可编程思想引入另一种半定制器件 “门阵列”中，从而出现了可在用户现场进行编程的门阵列产品，称 为现场可编程门阵列FPGA。这种器件尽管也是可编程的，但它的电 路结构及所采用的编程方法和CPLD不同。典型的FPGA由众多的小 单元电路构成，故又称为单元型PLD，也称为小粒度PLD。 • CPLD和FPGA各具特点，互有优劣，因此在发展过程中也在不断的 取长补短，相互渗透，不断出现新型的产品。
• PAL电路的逻辑阵列结构图如图所 示。 • 图中，PAL由与阵列和或阵列构成， 与阵列是可编程的，采用熔丝编程 技术来实现，而或阵列是固定的。 用PAL实现逻辑函数的形式是与或表达式，由于其或阵列采用固定 连接，为适应不同函数与-或式中 与项数不同的情况，PAL器件中或 门的输入端数一般不做成一样，而 是有多有少，以适应不同函数的需 要。图中所示每个或门的输入端数 为4个。
2.3 现场可编程门阵列（FPGA）
• 可编程逻辑器件（PLD）是集成电路技术发展的产物，是EDA得以实 现的硬件基础，由设计人员自行编程而把数字系统“集成”在一片 PLD上，可灵活方便地构建和修改数字电子系统，不必去请芯片制造 厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。 • 一般把单片集成度在1K标准门以下的可编程逻辑器件称为简单PLD。 简单PLD由与阵列和或阵列组成，能有效地实现“乘积项”形式的布 尔逻辑函数。最初的PLD是PROM和PAL。PROM中与阵列固定，当 输入变量为N时，与阵列的乘积项输出线为2的N次方，而或阵列是可 编程的。在许多逻辑应用场合中，并不需要每个变量均参与乘积项。 为了组合逻辑的需要，发明了PAL（Programmable Array Logic）器 件，在PAL中，与阵列是可编程的，而或阵列是固定的。后来为使 PAL能够适应更多的应用需求，又在PAL结构中加入了寄存器，这样 也可以作时序电路。有些PAL的输出部分还加入了一些宏单元，可以 灵活地变换正负输出逻辑、寄存器和三态输出等，这就是通用阵列逻 辑GAL（Generic Array Logic）。
• PAL阵列结构
4 . GAL
• GAL是Generic Array Logic的缩写，即通用可编程阵列逻辑。对应很 多简单的数字逻辑，GAL等简单的可编程逻辑器件仍然被大量使用。 目前，国内外很多对成本十分敏感的设计都在使用GAL等低成本可编 程逻辑器件，越来越多的74系列逻辑电路被GAL取代。GAL等器件发 展至今已经近20年了，新一代的GAL器件以功能灵活、小封装、低成 本、重复可编程、应用灵活等优点仍然在数字电路领域扮演着重要的 角色。目前比较大的GAL器件供应商主要是Lattice半导体公司。 • PAL器件的发展，给逻辑设计带来了很大的灵活性，但是它所提供的 灵活性是有限的，不同的输出结构需要选用不同型号的PAL器件。此 外，PAL的编程元件是熔丝，一旦编程以后不能再修改，因此，限制 了PAL的广泛应用。 • 20世纪80年代，Lattice公司推出了通用阵列逻辑（GAL），采用 EECMOS工艺，可以反复修改和再次编程。GAL器件在可编程阵列 逻辑的基础上，增加了输出逻辑宏单元OLMC（Output Logic Macro Cell），使得GAL的特性和使用灵活性大大优于PAL，成为目前为止 使用最广泛的简单PLD器件。