数字电路逻辑设计 第8章1 可编程逻辑器件及其应用

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输入信号
输入 电路
互补
与门 或门 乘积项 和项 阵列 阵列
输入
可直接 输出 也可反馈到输入
输出 电路
输出函数
反馈输入信号
可编程逻辑器件PLD概述
二、PLD的逻辑符号表示方法
1. 输入缓冲器表示方法 PLD具有较大的与或阵列,逻辑图 的画法与传统的画法有所不同。 A A A 2. 与门的表示方法
×
F1
8.1 可编程阵列逻辑(PAL)器件
Programmable Array Logic 8.1.1 现场可编程逻辑阵列(FPLA)器件
源自文库
8.1.2
8.1.3 8.1.4 8.1.5
PAL器件的基本结构
PAL器件的输出和反馈结构 PAL器件编号与典型PAL器件介绍 PAL器件的应用
8.1.1
现场可编程逻辑阵列(FPLA)器件
×
×
可编程
可编程逻辑器件PLD概述
三、PLD的分类
3. 与编程、或固定 每个交叉点都 代表器件PAL 可编程。 (Programmable Array Logic) 和GAL(Generic Array 为两个乘积 O1 × Logic)。 项之和。
在这种结构中,或 阵列固定若干个乘积项 输出。
×
1D C1
Q Q
Oi
触发器的Q端可以 通过三态缓冲器 送到输出引脚
Ii
·· · ·· · ·
从其他输入及反馈端来
时钟 (共用)
输出使能 (共用)
带反馈的寄存器型结构
具有记忆功能,由于整个器件只有一个共用时钟和一个输
出使能输入端,因此可以构成计数器等同步时序逻辑电路。
4.带异或的寄存器型结构 把乘积项分割
系统放在一个芯片内
简 介
全定制(Full Custom Design IC) 厂商直接做出 ASIC 半定制(Semi-Custom Design IC) 厂商做出半成品 标准单元(Standard Cell Array 简称SCA) 半定制 门阵列(Gate Array简称GA ) 可编程逻辑器件(Programmable Logic Device) 近年来PLD从芯片密度、速度等方面发展迅速,已成为 一个重要分支。
相与
B
C
F1 AC BC
F2 AB BC BC
可编程或阵列
BC
AB
BC
相 或
(c)
FPLA器件的映像逻辑图 这种类型FPLA器件的电路中不包含触发器,因此只能用来 设计组合逻辑电路。如果用来设计时序逻辑电路,必须另外增 加含有触发器的芯片。
8.1.2
PAL器件由可
PAL器件的基本结构
可编程逻辑器件PLD概述 由大量的二级与—或
单元电路组成
PLD
PROM —与固定,或编程 PLA —与或均可编程 SPLD PAL —与编程,或固定 与—或阵列 单元电路 GAL 逻辑模块 CPLD CPLD HDPLD
FPGA GA SCA
任何组合函数都可表示为与—或表达式:
F AB BCD
电 路方 设案 计 设 计 输 入 优 化 电 路 选 择 器 件 器时 件序 功检 能查
编 程
第二节 可编程逻辑阵列PLA
一、可编程逻辑阵列PLA
可编程逻辑阵列PLA和PROM相比之下,有如下特点:
1. PROM是与阵列固定、或阵列可编程,而PLA是与和或阵 列全可编程; 2. PROM与阵列是全译码的形式,而PLA是根据需要产生乘 积项,从而减小了阵列的规模; 3. PROM实现的逻辑函数采用最小项表达式来描述。而用 PLA实现逻辑函数时,运用简化后的最简与或式. 4. 在PLA中,对多输入、多输出的逻辑函数可以利用公共的 与项,因而提高了阵列的利用率。
(a) 输出高电平有效
(b) 输出低电平有效
可编程异或门
可编程与阵列
I0 I1
编程的与阵列、固
定的或阵列和输出 反馈单元组成。
I2
·固定连接
可编程连接
不同型号PAL
器件有不同的输出
反 馈 输 入
& & & & & &
和反馈结构,适用
于各种组合逻辑电 路和时序逻辑电路
··
≥1
··
输出 反馈
O0
≥1
O1
O2
的设计。
固定或阵列
··
≥1
输出反馈单元
PAL器件的基本结构
× × × ×
× ×
& &
& &
× ×
& & & & & & & & & & &
× × × ×
× ×
× ×
A+B A A+B B AB A +B A+B A AB 0 AB A · B AB B A+B
算术选通电路
6.异步可编程寄存器输出型结构
专用乘积项
& & & &
1D
& & & & ≥1
S
Q
Ii/Oi
下图给出最简单的PROM电路图,右图是左图的简化形式。 固定连接点 (与) AB AB AB AB 编程连接点 (或)

实现函数的表达式: 最小项表达式 实现的函数为:
F1 A B A B
F2 A B A B
F3 A B
可编程逻辑器件PLD概述
8.1.3 PAL器件的输出和反馈结构
1.基本与-或阵列型结构
输入信号
& & & &
四个乘积项通过 或非门低电平输出。
≥1 & ≥1
Oi
& & &
Oi
Ii
·· · ··
从其他输入端来
Ii
四个乘积项
·· · ··
从其他输入端来 (b) 输出高电平有效
一个输入
(a) 输出低电平有效
基本与-或阵列型结构
· · ·
· · ·
Ii
输出反馈
(a) 输出选通
输入反馈
(b) 输出禁止
三态输出缓冲器结构
操作。
3.带反馈的寄存器型结构
触发器的反相端反馈回与 8个乘积项 或门的输出通过D触发器, 在CP的上升沿时到达输出。 阵列,作为输入信号参与 CP OE 更复杂的时序逻辑运算
& & & & & & & & ≥1
可编程逻辑器件PLD概述
用PLD实现逻辑电路的方法与过程 用可编程逻辑器件设计电路需要相应的开发软件平台 和编程器,可编程逻辑器件开发软件和相应的编程器多种 多样。 特别是一些较高级的软件平台,一个系统除了方案设 计和输入电路外,其它功能都可用编程软件自动完成。 可编程逻辑器件设计电路过程如下图所示: 设计人员完成
C1 R
=1
极性控制
Ii'
· ·· ·· · ·
从其他输入及反馈端来 可编程控制单元
异步可编程寄存器输出结构
有4个乘积项作为专用乘积项,分别控制三态输出缓冲器、 D触发器的时钟、置位和复位,可实现输入/输出端的动态配置 和器件中各触发器的异步控制。
≥1
P
=1
P VCC
≥1
P
=1
P
VCC
可编程
可编程
三、PLD的分类
根据与或阵列是否可编程分为三类: (1)与固定、或编程:ROM和PROM
(2)与或全编程:PLA
(3)与编程、或固定:PAL、GAL和HDPLD
可编程逻辑器件PLD概述
三、PLD的分类
1. 与固定、或编程
AB C
0 0 0
0 0 0 1 1 0
与阵列全固定,ROM和PROM 连接点编程 时,需画一 个叉。
采用PLD设计数字系统和中小规模相比具有如下特点:
1.系统体积减小:单片PLD有很高的密度,可容纳中小规模集成电路的几片到十 几片; 2.逻辑设计的灵活性增强:使用PLD器件设计的系统,可以不受标准系列器件在 逻辑功能上的限制; 3.设计周期缩短:由于可编程特性,用PLD设计一个系统所需时间为缩短; 4.系统处理速度提高:实现逻辑功能比用中小规模器件所需的逻辑级数少。简化 了系统设计,减少了级间延迟,提高了系统的处理速度;
F1 AC BC
1
F2 AB BC BC
AC
BC
AB
BC
(a) FPLA基本结构示例
F2 AB BC BC
可编程或阵列 (b)
基本熔丝结构
AC BC AB BC
A B C × × × × × × × × × × × × ×
×
被编程连接 被编程不连接
可 编 程 与 阵 列
算术选通电路产生
算术选通电路 A B
≥1 ≥1 ≥1 ≥1
的4个最大项,加到与
阵列输入端 ,通过对与 阵列编程,可得到16种
&
1
逻辑组合输出。
算术选通反馈型 PAL 器 件 , 主 要 用 于 实 现快速的加、减、大于、 小于等算术逻辑电路。
× × × × × × × ×
× × × × × × × ×
编程连接 固定连接 ABCD F1=A•B•C
可编程逻辑器件PLD概述
二、PLD的逻辑符号表示方法
3. 或门的表示方法
×
×
F2
ABCD F2=B+C+D
可编程逻辑器件PLD概述
4. 三种特殊表示方法
1.输入全编程,输出为0。 2.也可简单地对应的与门中画叉,因此E=D。 3.乘积项与任何输入信号都没有接通,相当与门输出为1。
用两级与—或电路实现
可编程逻辑器件PLD概述
一、 PLD的基本结构
• 可由或阵列直接输出, PLD有多种品种:PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD 构成组合; 和FPGA等。但它们组成结构基本相似 • 通过寄存器输出, 输出既可以是低电平有 PLD主体 构成时序方式输出。 效,又可以是高电平有效。
5.系统成本降低:由于PLD集成度高,测试与装配的量大大减少,避免了改变逻 辑带来的重新设计和修改,有效地降低了成本;
6.系统的可靠性提高:减少了芯片数量和印制板面积,减少相互间的连线,增加 了平均寿命, 提高抗干扰能力,从而增加了系统的可靠性; 7.系统具有加密功能:某些PLD器件本身具有加密功能。
的输入端,使得逻辑电路的设计更加灵活、方便。
5.算术选通反馈型结构
& & & & ≥1
CP
Q Q
OE
=1
& & &
1D
C1
Oi
≥1
&
A B
算术选 通电路
· · ·
从其他输入及反馈端来
时钟 (共用)
输出使能 (共用)
输入信号
算术选通反馈型结构
在异或型PAL的基础上增加算术选通电路,产生输入信号
和反馈信号的4个最大项。
O1
可编程逻辑器件PLD概述
PROM
输入 B A
与阵列固定
PAL
输入 B A
与阵列可编程
与 门 阵 列
或 门 阵 列
与 门 阵 列
或 门 阵 列
或阵列可编程
PLA
与 门 阵 列 输入 B A
Y 输出
Z
或阵列固定
Y 输出
Z
与阵列可编程
3种基本的PLD结构
或 门 阵 列
或阵列可编程
Y 输出
Z
可编程逻辑器件PLD概述
可编程输入/输出型结构
具有三态输出缓冲器和反馈缓冲器。反馈缓冲器可使三态
输出反馈到与阵列输入端,构成简单的触发器,使输出具有记 忆功能。
用户通过编程可以控制三态输出缓冲器的状态,从而实现 对输入/输出引出端数目的任意配置。
输出选通
≥1
输出禁止
Oi
≥1
利用可编程输入/输型PAL器件,可设计编码器、译码器、 数据选择器等组合逻辑电路,也可完成串行数据移位和循环等
由可编程的与阵列和固定的或阵列组成,没有输出反馈信 号,输入和输出引出端是固定的,不能由用户自行定义。只适 用于简单的组合逻辑电路设计。
2.可编程输入/输出型结构
8个乘积项
第一乘积项
≥1
& & & & & & & &
三态输出 缓冲器 Ii/Oi
Ii'
·· · ·· · ·
从其他输入及反馈端来
反馈缓冲器
输 出 全 部 最 小 项
A A
B B
C C
1 1
1
全译码
可编程逻辑器件PLD概述
三、PLD的分类 2. 与、或全编程
代表器件是PLA(Programmable Logic Array),下图给 出了PLA的阵列结构。 不象PROM那样与 由于与或阵列均能编 阵列需要全译码。 × 程的特点,在实现函数时, × 所需的是简化后的乘积项之 和,这样阵列规模比PROM 小得多。
第8章
可编程逻辑器件及其应用
8.1 可编程阵列逻辑(PAL)器件 8.2 通用阵列逻辑(GAL)器件 8.3 复杂可编程逻辑器件(CPLD)
8.4 现场可编程门阵列(FPGA)器件 8.5 可编程逻辑器件的开发
简 介
连接线与点增多 抗干扰下降
简 介
传统的逻辑系统:当规模增大时
焊点多,可靠性下降; 系统规模增加,成本升高; 功耗增加; 占用空间扩大。 专用集成电路(简称ASIC)
成两个和项 两个和项在触发器的输入端异或之后, 在时钟上升沿到来时存入触发器内
& & & & ≥1
增加了一个异或门
OE
Q
CP
=1
& & ≥1
1D C1
Q
Oi
&
&
Ii
· ·· ·· · ·
从其他输入及反馈端来
时钟 (共用)
输出使能 (共用)
带异或的寄存器型结构
与阵列的输出分成两组相或,经异或运算后加到D触发器
FPLA器件是在PROM的基础上发展而来的,由与、或两 级可编程逻辑阵列构成。
输入
n
可编程 与阵列
k<2n
可编程 或阵列
m<k
输出
FPLA器件的基本结构框图
不需要包含输入信号所有可能的组合。
VCC
A
1
A B C
& & & & ≥1 ≥1
A
1
A B C
B C
1 1
B
1
C
F1 AC BC
可 编 程 与 阵 列
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