第20讲PLD器件及其应用
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设x的取值范围为0～15的正整数， 则对应的是4位二进制正整数，用 B＝B3B2B1B0表示。根据y＝x2可算 出y的最大值是152＝225，可以用 8 位 二 进 制 数 Y ＝ Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0 表 示 。 由 此 可 列 出 Y ＝ B2 即 y ＝ x2 的真值表。
第20讲PLD器件及其应用
应用时，要根据需要选择合适型号的PAL（分类很细） 第20讲PLD器件及其应用
通用阵列逻辑GAL
GAL与PAL的区别： 1）PAL是PROM熔丝工艺，为一次编程器件；而GAL是E2PROM工 艺，可重复编程。 2）PAL的输出是固定的，而GAL用一个可编程的输出逻辑宏单元 （OLMC）做为输出电路。
第20讲PLD器件及其应用
此前我们实现组
PROM的应用
合逻辑函数的方 法有哪些？
n PROM可以用来实现任意组合逻辑电路 的功能。用PROM进行逻辑设计的一般 步骤如下：
n 列出真值表。根据设计要求，确定电路的输 入变量和输出函数，并用真值表描述电路输 出与输入的逻辑关系。
n 画出阵列图。将电路的输入变量作为PROM 的输入，并根据真值表中各变量取值下的函 数值对PROM或门阵列进行编程。
n 本讲所指PLD主要指SPLD。
第20讲PLD器件及其应用
PLD器件的基本结构
•基本结构：与门阵列+或门阵列 •与门阵列接收外部输入变量，产生由输入变量组成的与项。 •或门阵列接收与门阵列输出的与项，产生用与或表达式表示 的逻辑函数。
•在基本结构的基础上，增加诸如输入缓冲器、输出寄存器、内 部反馈、输出宏单元等，即可构成各种不同类型、不同规模的 PLD。
第20讲PLD器件及其应用
1、用ROM实现组合逻辑函数 逻辑表达式
1 1
真值表或最 小项表达式
按A、B、C、 D排列变量， 并将Y1、Y2 扩展成为4 变量的逻辑 函数。
第20讲PLD器件及其应用
2
选 择 R O M， 画 阵 列 图
2
第20讲PLD器件及其应用
2、用ROM作函数运算表
例 用ROM构成能实现函数y＝ x2的运算表电路。
W0=0 W1=0 W2=1 W3=0
第20讲PLD器件及其应用
A1=1 A0=1
D3=0 D2=1 D1=1 D0=1
W0=0 W1=0 W2=0 W3=1
第20讲PLD器件及其应用
ROM的简化画法
与 阵 列 固 定
地址译码器产 生了输入变量 连接 的全部最小项
或 阵 列 可 编 程
存储体实现 了有关最小 项的或运算 断开
1、四位二进制码格雷码的PLA实现
演 示
第20讲PLD器件及其应用
2、用PLA设计一个8421码加1计数器， 并用七段显示器显示计数状态。
解：该问题的设计包含两部分，一部分是按 照同步时序电路的设计方法设计一个8421 码加1计数器；另一部分是按照组合电路设 计方法设计一个将8421码转换成七段显示 首先，作出8421码加1计数器的状态表，
n CPLD和FPGA的区别 n 早期的PLD多属于E2PROM或乘积项(Product Term)结 构。FPGA是指在线可编程逻辑阵列，最早为Xilinx公 司推出。多为SRAM框架或查表框架，需外接配置用 的EPROM下载。 n Xilinx将SRAM框架或查表框架，需外接配置用的 EPROM下载的PLD称之为FPGA。把Flash、E2PROM 框架或乘积项框架的PLD称为CPLD。 n Altera把自己的PLD产品MAX系列/FLEX/ACEX/ APEX系列称为CPLD。由于FLEX/ACEX/APEX系列也 是SRAM型，需外接配置用的EPROM下载，很多人把 Altera的FLEX/ACEX/APEX系列产品也称为FPGA。
GAL用输出逻辑宏单元（OLMC）取代了固定输出电路，使用方便、 灵活、应用广泛。
第20讲PLD器件及其应用
PLD的阵列结构
PROM的阵列结构
PLA的阵列结构 PAL、GAL的阵列结构
第20讲PLD器件及其应用
PLD器件的优点
1）. 提高了功能的集成度 ：PLD器件较中小规模集成芯片具有更高的功能集成度， 一般来说一片PLD器件可替代4～20片的中小规模集成芯片，而更大规模的PLD（如 CPLD、FPGA)一般采用最新的集成电路生产工艺及技术，可达到极大的规模，这些 器件的出现降低了电子产品的成本和缩小了电子产品的体积。
第20讲PLD器件及其应用
ROM和PROM
ROM的一般结构如右图所示，有选择存储 位置的地址译码器、存放数据的存储矩阵、 提取数据的输出通路。
存储单元可由二极管、三极管或场效应 管构成，原理图如下。
二极管 构成 的ROM 模型
第20讲PLD器件及其应用
只读存储器通常有：掩膜式ROM、一次可编程ROM（PROM）、紫外光可擦除 ROM（U-EPROM）、电可擦除ROM（EEPROM）等几种类型。 • 一次可编程ROM（PROM）
真 值 表
第20讲PLD器件及其应用
逻 辑 表 达 式
第20讲PLD器件及其应用
阵列图
第20讲PLD器件及其应用
3、用ROM作字符发生器电路
D4 D3 D2 D 1 D 0
输出缓冲器
A2
地
址
A1
译
A0
码
器
用ROM存储字符Z
第20讲PLD器件及其应用
4、四位二进制码格雷码的PROM实现
演 示
列产生的激励函数，其输出状态反馈到与门阵列的 输入，和输入变量一起产生输出函数和激励函数所 需的与项。
第20讲PLD器件及其应用
时序PLA结构图
X1
y1
与门
…
阵列 …
x2
…
yr
CP RESET
Y1
…
或门 Yr 阵列
触发器组
Z1 … Zm
第20讲PLD器件及其应用
PLA在逻辑设计中的应用
n 采用PLA可以实现任意组合逻辑电路和时序 逻辑电路的功能。设计的步骤如下；
第20讲PLD器件及其应用
输入缓冲电路
PLD器件的逻辑 关系表示
PLD器件的连接 关系表示法
第20百度文库PLD器件及其应用
未编程的内部结构
已编程的内部结构
第20讲PLD器件及其应用
SPLD器件的分类
PLD器件按编程部位分类
PROM、PAL和GAL只有一种阵列可编程，为半场可编程逻辑器件； 而PLA的与阵列和或阵列均可编程，为全场可编程逻辑器件。
A1=0 A0=0
D3=1 D2=0 D1=1 D0=1
W0=1 W1=0 W2=0 W3=0
第20讲PLD器件及其应用
A1=0 A0=1
D3=0 D2=1 D1=0 D0=1
W0=0 W1=1 W2=0 W3=0
第20讲PLD器件及其应用
A1=1 A0=0
D3=1 D2=1 D1=0 D0=0
第20讲PLD器件及其应用
n 假定采用JK触发器作为存储元件，根据状态表 和JK触发器的激励表，可得到触发器的激励函
激励函数共包含4个不同“与”项： Q3Q2Q1 ，Q1 ，Q2Q1 ，Q4Q1
假定七段显示译码器的输出为高电平有效， 可作出8421码转换为七段显示码的真值表如 表8.5所示。
第20讲PLD器件及其应用
第20讲PLD器件及其应用
Q4 Q3 Q2 Q1 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001
Q4(n+1)Q3(n+1)Q2(n+1)Q1(n+1) 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000
2）. 加快了电子系统的设计速度 ：一方面由于PLD器件集成度的提高，减小了电子 产品设计中的布线时间及器件的安装时间；另一方面由于PLD器件的设计是利用计 算机进行辅助设计的，其可以通过计算机的辅助设计软件对设计的电路进行仿真和 模拟，减小了传统设计过程中的调试电路的时间，另外由于PLD器件是可擦除和可 编程的，故即使设计有问题修改也是很方便的。
•电可擦除可编程ROM（EEPROM）
擦除和编程均用电完成。
第20讲PLD器件及其应用
ROM的结构
存储容量＝字线数×位线数＝2n×b（位）
存储单元地址
第20讲PLD器件及其应用
ROM的工作原理
4 × 4 位 R O M
地址译码器
存储体
第20讲PLD器件及其应用
存储内容
第20讲PLD器件及其应用
O L M C 的 逻 辑 图
第20讲PLD器件及其应用
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/25
第20讲PLD器件及其应用
器件在出厂时每个单元内容全部为1,如果希望某一单元存放数据0,只须将该结点对应的熔断丝烧断 即可 。
不足：由于在半导体电路中加入了金属丝，使生产工艺变得复杂； 由于可编程的部分是由熔断丝构成的，一旦内容写错，其芯片只能报废。
• 紫外光可擦除ROM（U-EPROM ）
其明显的特征是在正中间有一个玻璃窗口，该窗口可让紫外光通过，用紫外光照射10～20分 钟，内部数据将全部擦除，这时可以再通过编程的方法写入新数据。
n 求出函数的最简“与-或表达式”。利用组合电 路的真值表或时序电路的状态表，求出电路中 各函数的最简“与-或”表达式。化简时应充分 考虑各函数对与项的共享，力求减少不同与项 的数目。（多输出函数的最简标准是什么？）
n 画出阵列图。根据各函数的最简“与-或”表达 式，画出PLA的阵列图。
第20讲PLD器件及其应用
演示
第20讲PLD器件及其应用
可编程阵列逻辑PAL
内部结构：与阵列固定，或阵列可编程
PAL器件按其输出电路的结构来分，有五种形式： 1）专用输出的基本门阵列结构
或门输出接一个同相缓冲器时，输出函数为高电平有效（如PAL10H8）；若接 一个反相缓冲器时，输出函数为低电平有效（如PAL10L8）。 2）带反馈的可编程I/O结构（异步可编程I/O结构）
第20讲PLD器件及其应用
可编程逻辑阵列PLA
n PLA的逻辑结构
PLA可以分为组合PLA和时序PLA两种类型。
n 组合PLA的逻辑结构
n 可编程的与门阵列+可编程的或门阵列 n 与门阵列编程产生用户安排的与项，或门阵列编程
实现函数所需的与项相或。
n 时序PLA的逻辑结构
n 组合PLA+触发器网络 n 触发器网络接受时钟脉冲、复位信号以及由或门阵
输出电路由一个三态门和一个互补反馈缓冲器组成。 3）带反馈的寄存器输出结构
在或门输出后面接一个同步D锁存器，锁存器Q端经三态门输出。 4）加异或、带反馈的寄存器输出结构
在带反馈的寄存器输出结构的基础上增加一个异或门，是DFF的D端极性可以通 过编程设置。 5）算术选通反馈结构
通过增加反馈选通电路，使之能实现多种算术运算功能。
3）. 高性能：由于PLD器件在生产过程中采用了最新的生产工艺及技术，故PLD器件 的性能优于一般通用的器件，其速度一般比通用器件速度高一到两个数量级，另外 由于器件数量的减少，降低了电路的总功耗。 4）. 高可靠性：器件数量减少，导致PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）的 布线、交叉干扰减少，系统运行更可靠。 5）. 成本低：设计、安装、调试、维修、器件品种库存等方面的成本下降，从而使 电子产品的总成本降低，提高了产品的竞争力。
第20讲PLD器件及其应用
课堂讨论： PAL及常用输出形式； ROM的类型及特点。
现代教学方法与手段： PowerPoint投影
复习（提问）： ROM的结构和容量计算； ROM的应用。
第20讲PLD器件及其应用
LSI的类型
第20讲PLD器件及其应用
n ASIC n 全定制 n 半定制（性能上专用，结构上通用）
第20讲PLD器件及其应 用
2020/11/25
第20讲PLD器件及其应用
内容: 可编程逻辑器件及应用 1 概述 2 可编程阵列逻辑PAL 3 通用阵列逻辑GAL 4 ROM及其应用
目的与要求： 了解PLD器件的基本结构、分类、优点； 了解PAL常用的5种输出形式； ROM及其应用。
重点与难点： 重点：PLD器件的基本结构； PAL的结构特点及常用输出形式； ROM及其应用。 难点： ROM及其应用。
第20讲PLD器件及其应用
应用时，要根据需要选择合适型号的PAL（分类很细） 第20讲PLD器件及其应用
通用阵列逻辑GAL
GAL与PAL的区别： 1）PAL是PROM熔丝工艺，为一次编程器件；而GAL是E2PROM工 艺，可重复编程。 2）PAL的输出是固定的，而GAL用一个可编程的输出逻辑宏单元 （OLMC）做为输出电路。
第20讲PLD器件及其应用
此前我们实现组
PROM的应用
合逻辑函数的方 法有哪些？
n PROM可以用来实现任意组合逻辑电路 的功能。用PROM进行逻辑设计的一般 步骤如下：
n 列出真值表。根据设计要求，确定电路的输 入变量和输出函数，并用真值表描述电路输 出与输入的逻辑关系。
n 画出阵列图。将电路的输入变量作为PROM 的输入，并根据真值表中各变量取值下的函 数值对PROM或门阵列进行编程。
n 本讲所指PLD主要指SPLD。
第20讲PLD器件及其应用
PLD器件的基本结构
•基本结构：与门阵列+或门阵列 •与门阵列接收外部输入变量，产生由输入变量组成的与项。 •或门阵列接收与门阵列输出的与项，产生用与或表达式表示 的逻辑函数。
•在基本结构的基础上，增加诸如输入缓冲器、输出寄存器、内 部反馈、输出宏单元等，即可构成各种不同类型、不同规模的 PLD。
第20讲PLD器件及其应用
1、用ROM实现组合逻辑函数 逻辑表达式
1 1
真值表或最 小项表达式
按A、B、C、 D排列变量， 并将Y1、Y2 扩展成为4 变量的逻辑 函数。
第20讲PLD器件及其应用
2
选 择 R O M， 画 阵 列 图
2
第20讲PLD器件及其应用
2、用ROM作函数运算表
例 用ROM构成能实现函数y＝ x2的运算表电路。
W0=0 W1=0 W2=1 W3=0
第20讲PLD器件及其应用
A1=1 A0=1
D3=0 D2=1 D1=1 D0=1
W0=0 W1=0 W2=0 W3=1
第20讲PLD器件及其应用
ROM的简化画法
与 阵 列 固 定
地址译码器产 生了输入变量 连接 的全部最小项
或 阵 列 可 编 程
存储体实现 了有关最小 项的或运算 断开
1、四位二进制码格雷码的PLA实现
演 示
第20讲PLD器件及其应用
2、用PLA设计一个8421码加1计数器， 并用七段显示器显示计数状态。
解：该问题的设计包含两部分，一部分是按 照同步时序电路的设计方法设计一个8421 码加1计数器；另一部分是按照组合电路设 计方法设计一个将8421码转换成七段显示 首先，作出8421码加1计数器的状态表，
n CPLD和FPGA的区别 n 早期的PLD多属于E2PROM或乘积项(Product Term)结 构。FPGA是指在线可编程逻辑阵列，最早为Xilinx公 司推出。多为SRAM框架或查表框架，需外接配置用 的EPROM下载。 n Xilinx将SRAM框架或查表框架，需外接配置用的 EPROM下载的PLD称之为FPGA。把Flash、E2PROM 框架或乘积项框架的PLD称为CPLD。 n Altera把自己的PLD产品MAX系列/FLEX/ACEX/ APEX系列称为CPLD。由于FLEX/ACEX/APEX系列也 是SRAM型，需外接配置用的EPROM下载，很多人把 Altera的FLEX/ACEX/APEX系列产品也称为FPGA。
GAL用输出逻辑宏单元（OLMC）取代了固定输出电路，使用方便、 灵活、应用广泛。
第20讲PLD器件及其应用
PLD的阵列结构
PROM的阵列结构
PLA的阵列结构 PAL、GAL的阵列结构
第20讲PLD器件及其应用
PLD器件的优点
1）. 提高了功能的集成度 ：PLD器件较中小规模集成芯片具有更高的功能集成度， 一般来说一片PLD器件可替代4～20片的中小规模集成芯片，而更大规模的PLD（如 CPLD、FPGA)一般采用最新的集成电路生产工艺及技术，可达到极大的规模，这些 器件的出现降低了电子产品的成本和缩小了电子产品的体积。
第20讲PLD器件及其应用
ROM和PROM
ROM的一般结构如右图所示，有选择存储 位置的地址译码器、存放数据的存储矩阵、 提取数据的输出通路。
存储单元可由二极管、三极管或场效应 管构成，原理图如下。
二极管 构成 的ROM 模型
第20讲PLD器件及其应用
只读存储器通常有：掩膜式ROM、一次可编程ROM（PROM）、紫外光可擦除 ROM（U-EPROM）、电可擦除ROM（EEPROM）等几种类型。 • 一次可编程ROM（PROM）
真 值 表
第20讲PLD器件及其应用
逻 辑 表 达 式
第20讲PLD器件及其应用
阵列图
第20讲PLD器件及其应用
3、用ROM作字符发生器电路
D4 D3 D2 D 1 D 0
输出缓冲器
A2
地
址
A1
译
A0
码
器
用ROM存储字符Z
第20讲PLD器件及其应用
4、四位二进制码格雷码的PROM实现
演 示
列产生的激励函数，其输出状态反馈到与门阵列的 输入，和输入变量一起产生输出函数和激励函数所 需的与项。
第20讲PLD器件及其应用
时序PLA结构图
X1
y1
与门
…
阵列 …
x2
…
yr
CP RESET
Y1
…
或门 Yr 阵列
触发器组
Z1 … Zm
第20讲PLD器件及其应用
PLA在逻辑设计中的应用
n 采用PLA可以实现任意组合逻辑电路和时序 逻辑电路的功能。设计的步骤如下；
第20讲PLD器件及其应用
输入缓冲电路
PLD器件的逻辑 关系表示
PLD器件的连接 关系表示法
第20百度文库PLD器件及其应用
未编程的内部结构
已编程的内部结构
第20讲PLD器件及其应用
SPLD器件的分类
PLD器件按编程部位分类
PROM、PAL和GAL只有一种阵列可编程，为半场可编程逻辑器件； 而PLA的与阵列和或阵列均可编程，为全场可编程逻辑器件。
A1=0 A0=0
D3=1 D2=0 D1=1 D0=1
W0=1 W1=0 W2=0 W3=0
第20讲PLD器件及其应用
A1=0 A0=1
D3=0 D2=1 D1=0 D0=1
W0=0 W1=1 W2=0 W3=0
第20讲PLD器件及其应用
A1=1 A0=0
D3=1 D2=1 D1=0 D0=0
第20讲PLD器件及其应用
n 假定采用JK触发器作为存储元件，根据状态表 和JK触发器的激励表，可得到触发器的激励函
激励函数共包含4个不同“与”项： Q3Q2Q1 ，Q1 ，Q2Q1 ，Q4Q1
假定七段显示译码器的输出为高电平有效， 可作出8421码转换为七段显示码的真值表如 表8.5所示。
第20讲PLD器件及其应用
第20讲PLD器件及其应用
Q4 Q3 Q2 Q1 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001
Q4(n+1)Q3(n+1)Q2(n+1)Q1(n+1) 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000
2）. 加快了电子系统的设计速度 ：一方面由于PLD器件集成度的提高，减小了电子 产品设计中的布线时间及器件的安装时间；另一方面由于PLD器件的设计是利用计 算机进行辅助设计的，其可以通过计算机的辅助设计软件对设计的电路进行仿真和 模拟，减小了传统设计过程中的调试电路的时间，另外由于PLD器件是可擦除和可 编程的，故即使设计有问题修改也是很方便的。
•电可擦除可编程ROM（EEPROM）
擦除和编程均用电完成。
第20讲PLD器件及其应用
ROM的结构
存储容量＝字线数×位线数＝2n×b（位）
存储单元地址
第20讲PLD器件及其应用
ROM的工作原理
4 × 4 位 R O M
地址译码器
存储体
第20讲PLD器件及其应用
存储内容
第20讲PLD器件及其应用
O L M C 的 逻 辑 图
第20讲PLD器件及其应用
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/25
第20讲PLD器件及其应用
器件在出厂时每个单元内容全部为1,如果希望某一单元存放数据0,只须将该结点对应的熔断丝烧断 即可 。
不足：由于在半导体电路中加入了金属丝，使生产工艺变得复杂； 由于可编程的部分是由熔断丝构成的，一旦内容写错，其芯片只能报废。
• 紫外光可擦除ROM（U-EPROM ）
其明显的特征是在正中间有一个玻璃窗口，该窗口可让紫外光通过，用紫外光照射10～20分 钟，内部数据将全部擦除，这时可以再通过编程的方法写入新数据。
n 求出函数的最简“与-或表达式”。利用组合电 路的真值表或时序电路的状态表，求出电路中 各函数的最简“与-或”表达式。化简时应充分 考虑各函数对与项的共享，力求减少不同与项 的数目。（多输出函数的最简标准是什么？）
n 画出阵列图。根据各函数的最简“与-或”表达 式，画出PLA的阵列图。
第20讲PLD器件及其应用
演示
第20讲PLD器件及其应用
可编程阵列逻辑PAL
内部结构：与阵列固定，或阵列可编程
PAL器件按其输出电路的结构来分，有五种形式： 1）专用输出的基本门阵列结构
或门输出接一个同相缓冲器时，输出函数为高电平有效（如PAL10H8）；若接 一个反相缓冲器时，输出函数为低电平有效（如PAL10L8）。 2）带反馈的可编程I/O结构（异步可编程I/O结构）
第20讲PLD器件及其应用
可编程逻辑阵列PLA
n PLA的逻辑结构
PLA可以分为组合PLA和时序PLA两种类型。
n 组合PLA的逻辑结构
n 可编程的与门阵列+可编程的或门阵列 n 与门阵列编程产生用户安排的与项，或门阵列编程
实现函数所需的与项相或。
n 时序PLA的逻辑结构
n 组合PLA+触发器网络 n 触发器网络接受时钟脉冲、复位信号以及由或门阵
输出电路由一个三态门和一个互补反馈缓冲器组成。 3）带反馈的寄存器输出结构
在或门输出后面接一个同步D锁存器，锁存器Q端经三态门输出。 4）加异或、带反馈的寄存器输出结构
在带反馈的寄存器输出结构的基础上增加一个异或门，是DFF的D端极性可以通 过编程设置。 5）算术选通反馈结构
通过增加反馈选通电路，使之能实现多种算术运算功能。
3）. 高性能：由于PLD器件在生产过程中采用了最新的生产工艺及技术，故PLD器件 的性能优于一般通用的器件，其速度一般比通用器件速度高一到两个数量级，另外 由于器件数量的减少，降低了电路的总功耗。 4）. 高可靠性：器件数量减少，导致PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）的 布线、交叉干扰减少，系统运行更可靠。 5）. 成本低：设计、安装、调试、维修、器件品种库存等方面的成本下降，从而使 电子产品的总成本降低，提高了产品的竞争力。
第20讲PLD器件及其应用
课堂讨论： PAL及常用输出形式； ROM的类型及特点。
现代教学方法与手段： PowerPoint投影
复习（提问）： ROM的结构和容量计算； ROM的应用。
第20讲PLD器件及其应用
LSI的类型
第20讲PLD器件及其应用
n ASIC n 全定制 n 半定制（性能上专用，结构上通用）
第20讲PLD器件及其应 用
2020/11/25
第20讲PLD器件及其应用
内容: 可编程逻辑器件及应用 1 概述 2 可编程阵列逻辑PAL 3 通用阵列逻辑GAL 4 ROM及其应用
目的与要求： 了解PLD器件的基本结构、分类、优点； 了解PAL常用的5种输出形式； ROM及其应用。
重点与难点： 重点：PLD器件的基本结构； PAL的结构特点及常用输出形式； ROM及其应用。 难点： ROM及其应用。