第7章PLD及其应用

1、第第7章章 可编程逻辑器件及其应用可编程逻辑器件及其应用7.3 通用阵列逻辑器件通用阵列逻辑器件GALGAL器件的基本结构器件的基本结构GAL器件的应用与开发器件的应用与开发endPLD的结构与特点的结构与特点（1）u数字逻辑器件的分类数字逻辑器件的分类标准产品标准产品由软件配置的由软件配置的LSI器件器件专用集成电路专用集成电路ASIC (Application Specific Integratal Circuit)全定制全定制半定制半定制可编程逻辑器件可编程逻辑器件PLD (Programmable Logic Device)(逻辑门、触发器、译码器等）逻辑门、触发器、译码器等）（微处理

2、器、单片机等）（微处理器、单片机等）PLD的结构与特点的结构与特点（2）u PLD的基本结构的基本结构数据数据输入输入输入输入控制控制电路电路“与与”阵阵列列“或或”阵阵列列输出输出控制控制电路电路数据数据输出输出反馈反馈输出输出输输入入项项乘乘积积项项积积和和项项PLD的结构与特点（的结构与特点（3 3）u PLD的分类的分类按集成密度按集成密度低密度低密度PLD高密度高密度PLD(HPLD)按制造工艺按制造工艺一次性编程一次性编程PLD紫外线可擦除紫外线可擦除EPLD电可擦除电可擦除EEPLDPLD的结构与特点（的结构与特点（4 4）按不同阵列的按不同阵列的可编程性可编程性存贮器存贮器(R

3、OM,RAM)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PALu PLD的分类的分类“与与”阵列阵列固定固定“或或”阵列阵列可编程可编程“与与”阵列阵列可编可编程程“或或”阵列阵列可编程可编程“与与”阵列阵列可编程可编程“或或”阵列阵列固定固定通用阵列逻辑通用阵列逻辑GAL在系统可编程器件在系统可编程器件ISP现场可编程逻辑器件现场可编程逻辑器件FPGA开发工具成本高，开发工具成本高，设计较复杂设计较复杂采用采用可编程输出可编程输出逻辑宏单元逻辑宏单元，功，功能更全面，性能能更全面，性能更灵活更灵活高高密密度度endPLD的结构与特点（的结构与特点（5 5）u PLD器件的

4、器件的电路表示方法电路表示方法基本逻辑单元的表示基本逻辑单元的表示输入输入/反馈缓冲器反馈缓冲器“与与”门门“或或”门门A B CFA B CFAAB AC ABCF CBAF采用互补采用互补输出结构输出结构PLD的结构与特点（的结构与特点（6 6）u PLD器件的电路表示方法器件的电路表示方法阵列交叉点的逻辑表示阵列交叉点的逻辑表示硬性连接硬性连接编程连接编程连接断开单元断开单元PLD的结构与特点（的结构与特点（7 7）u PLD器件的器件的电路表示方法电路表示方法实例实例写出如图所示写出如图所示PLD电路的输出逻辑表达式电路的输出逻辑表达式1A0AF1A0A1A0A01AA01AA0101

5、AAAAendROM的组成与工作原理（的组成与工作原理（1）uROM的分类的分类按构成存储单按构成存储单元的元件分类元的元件分类二极管二极管ROM晶体管晶体管ROMMOS管管ROM按编程方式按编程方式分类分类 掩模式掩模式ROM一次编程一次编程ROM(PROM)光擦编程光擦编程ROM(EPROM)电擦编程电擦编程ROM(EEPROM)uROM-只读存贮器（只读存贮器（Read Only Memory)主要用于计算机系统固定信息的存储主要用于计算机系统固定信息的存储多次改写编程多次改写编程ROM电改写电改写ROM(EAROM)闪速存储器闪速存储器FLASHROM存入存入数据的过程数据的过程称为称

6、为编程编程ROM的的组成与工作原理组成与工作原理（2）u ROM的基本结构的基本结构0A1A1nA0W1W12 nW地址地址译码译码器器输出缓冲器输出缓冲器存贮矩阵存贮矩阵0D1D1mD字线字线位线位线存贮容量存贮容量mn2mKm1210地址译码器地址译码器存贮矩阵存贮矩阵输出缓冲器输出缓冲器地址线地址线ROM的的组成与工作原理组成与工作原理（3）u ROM的工作原理的工作原理-以以 二极管二极管ROM为例为例4220W1W2W3W二进二进制译制译码器码器111A0A1D0D2D3DE地址地址线线字线字线位线位线01AA01AA01AA01AA地址地址 字线字线 数据数据(位线位线)01AA0

7、 0iW0123DDDD0W1W2W3W1 0 0 10 0 1 11 1 0 10 1 1 00 11 01 1ROM的的组成与工作原理组成与工作原理（4）地址地址 字线字线 数据数据(位线位线)01AA0 0iW0123DDDD0W1W2W3W1 0 0 10 0 1 11 1 0 10 1 1 00 11 01 1203WWD212WWD311WWD3200WWWD1A0A0W1W2W3W0D1D2D3D“与与”阵列阵列(固定固定)“或或”阵列阵列(可编程可编程)ROM的的PLD表示表示endROM的应用（的应用（5）ROM的应用范围的应用范围u计算机系统中的应用计算机系统中的应用u产生

8、多输出逻辑函数产生多输出逻辑函数u构成字符发生器构成字符发生器u构成波形发生器构成波形发生器 计算机初始引导和加载程序的固化，微程序控制器的设计，计算机初始引导和加载程序的固化，微程序控制器的设计，字符图形发生器的设计，控制系统中用户程序的固化等等。字符图形发生器的设计，控制系统中用户程序的固化等等。这些应用中主要是固化程序和数据，以提高系统应用的方便这些应用中主要是固化程序和数据，以提高系统应用的方便性、可靠性和安全性。性、可靠性和安全性。 由于由于ROM的地址译码器输出是全部输入变量的最小项，每的地址译码器输出是全部输入变量的最小项，每一位数据的输出是这些最小项之和，因此任何形式的组合逻辑

9、一位数据的输出是这些最小项之和，因此任何形式的组合逻辑函数均能通过向函数均能通过向ROM写入数据来实现。写入数据来实现。 将字符的点阵预先存储在将字符的点阵预先存储在ROM中，然后顺序给出地址码，中，然后顺序给出地址码，从存储矩阵中逐行读出字符的点阵，并送入显示器即可显示出从存储矩阵中逐行读出字符的点阵，并送入显示器即可显示出字符。字符。ROM的应用（的应用（6）例例1:试写出如图所示试写出如图所示ROM阵列中所有存储的逻辑函阵列中所有存储的逻辑函数数 、 、 和和 的表达式。的表达式。 1L2L3L4LAABB 1L2L3L4L“与与”阵列阵列“或或”阵列阵列解：解：ABL 1BAL 2BA

10、BAL3BABAL4BABABABAROM阵列阵列结构表示结构表示ROM的应用（的应用（7）例例2：试用：试用ROM产生以下一组多输出逻辑函数产生以下一组多输出逻辑函数BCDCBACBAF1BDAABCDF2DCBADCBAF3DCABDCBAF4解：解：将以上各式化成最小项之和的形式，即将以上各式化成最小项之和的形式，即ABCDBCDADCBADCBACDBADCBAF1BCDADCBAABCDF2DCBADCBAF3DCABDCBAF4ROM的应用（的应用（8）ABCDBCDADCBADCBACDBADCBAF1BCDADCBAABCDF2DCBADCBAF3DCABDCBAF4 要实现以

11、上一组多输出逻辑函要实现以上一组多输出逻辑函数，所需数，所需ROM的存储容量为：的存储容量为：424ROM阵列为：阵列为： 1A1B1C1D1F2F3F4F0W1W2W3W4W5W6W7W8W9W10W11W12W13W14W15W ROM的应用（的应用（9）例例3:试用试用84位位ROM实现一个排队电路实现一个排队电路.电路的功能是输入信号电路的功能是输入信号A、B、C，通过排队电路后分别由通过排队电路后分别由 、 、 输出，但在同一输出，但在同一时刻只能有一个信号通过，如果同时有两个或两个以上的信号输时刻只能有一个信号通过，如果同时有两个或两个以上的信号输入时，则按入时，则按A、B、C的优

12、先顺序通过。的优先顺序通过。AFBFCF解：解： 列真值表列真值表A B C0 0 00 0 1 0 1 01 0 0 0 1 11 1 0 1 0 11 1 1 AFBFCF000011110011000001000000写出逻辑函数式写出逻辑函数式ABCCABCBACBAFABCACBAFBCBAFCROM的应用（的应用（10）1A1B1CAFBFCF0W1W2W3W4W5W6W7W ROM阵列为：阵列为：ABCCABCBACBAFABCACBAFBCBAFCendGAL器件的基本结构器件的基本结构(1) 以普通型以普通型GAL16V8GAL16V8为例，说明为例，说明GALGAL器件的结

13、构组成。器件的结构组成。u总体介绍总体介绍输入缓冲器（左边输入缓冲器（左边8 8个）个） 对输入信号提供原变量和反变量，对输入信号提供原变量和反变量，并送到与门阵列。并送到与门阵列。输出缓冲器（右边输出缓冲器（右边8 8个）个） 提供输出信号和反馈信号，后者提供输出信号和反馈信号，后者包括本级和相邻级。包括本级和相邻级。输出反馈输出反馈/ /输入缓冲器输入缓冲器( (中间中间8 8个个) ) 本级输出或邻级输出作为输入信本级输出或邻级输出作为输入信号送到与门阵列，以便产生乘积项。号送到与门阵列，以便产生乘积项。GAL器件的基本结构器件的基本结构(2)时钟输入信号缓冲器（引脚时钟输入信号缓冲器（

14、引脚1 1） 可以提供时钟信号；也可以作为可以提供时钟信号；也可以作为输入信号。输入信号。输出选通信号缓冲器（引脚输出选通信号缓冲器（引脚1111） 用来提供输出三态门的控制使能用来提供输出三态门的控制使能信号。信号。 与门阵列与门阵列 8 88=648=64个与门组成，最多形成个与门组成，最多形成6464个乘积项，每个与门有个乘积项，每个与门有3232条输入条输入线（线（1616个原变量，个原变量，1616个反变量），个反变量），但每一个变量在编程时只能取其一，但每一个变量在编程时只能取其一，故每个与门（一个乘积项）的实际故每个与门（一个乘积项）的实际最大变量数为最大变量数为1616。 GA

15、L器件的基本结构器件的基本结构(3) 共共8 8个，每个个，每个OMLC是一个逻辑是一个逻辑单元，其中有或门、触发器、多路单元，其中有或门、触发器、多路开关。开关。输出逻辑宏单元输出逻辑宏单元（OLMC） 通过编程，通过编程，GAL16V8GAL16V8最多有最多有1616个引脚作为输入端，个引脚作为输入端，8 8个输出端个输出端。GAL器件的基本结构器件的基本结构(4) 每个每个OLMC中有一个或门。中有一个或门。或门有或门有8 8个输入，每个输入是个输入，每个输入是由与门阵列输出的一个乘积项，由与门阵列输出的一个乘积项，而或门输出是而或门输出是8 8个乘积项之和。个乘积项之和。 一个或门一

16、个或门或门或门异或门异或门uOLMC内部结构内部结构 触发器可用来保存组合逻触发器可用来保存组合逻辑函数输出值。一片辑函数输出值。一片GAL16V8GAL16V8共有共有8 8个触发器。个触发器。 一个触发器一个触发器触发器触发器 采用异或门来控制或门输采用异或门来控制或门输出信号的极性出信号的极性: :即当即当XOR(n)=1XOR(n)=1时，异或门起时，异或门起反相器反相器的作用。的作用。当当XOR(n)=0XOR(n)=0时，异或门起同相时，异或门起同相器的作用器的作用GAL器件的基本结构器件的基本结构(5) 输出多路开关输出多路开关OMUX（二选二选一）：控制直接由组合电路输出一）：

17、控制直接由组合电路输出还是寄存器输出。还是寄存器输出。 4 4个多路开关个多路开关乘积项多乘积项多路开关路开关三态多路三态多路开关开关反馈多路反馈多路开关开关输出多路输出多路开关开关 乘积项多路开关乘积项多路开关PTMUX（二选一）：控制或门的第一乘二选一）：控制或门的第一乘积项来自与阵列或为积项来自与阵列或为“0 0”。 三态多路开关三态多路开关TSMUX（四四选一）：控制三态门输出，有四选一）：控制三态门输出，有四种情况。种情况。 反馈多路开关反馈多路开关FMUX（四选四选一）：控制反馈信号来源，有四一）：控制反馈信号来源，有四种情况。种情况。GAL器件的基本结构器件的基本结构(6)乘积项

18、多乘积项多路开关路开关三态多路三态多路开关开关反馈多路反馈多路开关开关输出多路输出多路开关开关 多路开关的状态，取决于多路开关的状态，取决于结构控制字中结构控制字中AC0AC0和和AC1(n)AC1(n)位的值位的值，这些值可通过编程，这些值可通过编程决定。决定。如：如：)( 10nACAC 01输出为输出为异或门异或门输出输出输出为输出为触发器触发器输出输出-控制控制输出输出多路开关多路开关GAL器件的基本结构器件的基本结构(7)u工作模式工作模式OLMC的结构控制字的结构控制字 -通过结构控制字可确定通过结构控制字可确定OLMC的五种结构的五种结构SYNAC0 AC1(n)配置功能配置功能

19、101输入模式输入模式100111011010专用组合输出专用组合输出反馈组合输出反馈组合输出组合组合+寄存器输出寄存器输出寄存器输出寄存器输出同步控制字同步控制字结构控制字结构控制字OLMC的工作模式的工作模式 简单模式简单模式寄存器模式寄存器模式复合模式复合模式endGAL器件的应用与开发器件的应用与开发(1)uGAL器件的开发工具器件的开发工具硬件开发工具硬件开发工具软件开发工具软件开发工具-编程器编程器-开发开发PLD专用的程序设计语专用的程序设计语言及相应的汇编或编译程序言及相应的汇编或编译程序Fast-Map(FM)、ABEL、VHDL等等GAL器件的应用与开发器件的应用与开发(2

20、)Fast-Map (FM)语言语言FM.EXE列表文件列表文件(.LST)熔丝图文件熔丝图文件(.PLT)标准装载文件标准装载文件(.JED)设计源文件和设计源文件和PLD引脚配置图引脚配置图供设计者阅读的编程模式图供设计者阅读的编程模式图存放对存放对PLD编程的数据编程的数据*.PLD(设计源文件设计源文件)uGAL器件的开发软件器件的开发软件-只允许使用逻辑表达式描述设计只允许使用逻辑表达式描述设计,没有仿真功能没有仿真功能GAL器件的应用与开发器件的应用与开发(3)FM设计源文件设计源文件(*.PLD)格式格式器件型号器件型号设计说明信息设计说明信息引脚名表引脚名表逻辑方程逻辑方程关键字关键字DESCRIPTION第第1行行第第24行行第第5行行最后一行最后一行BABAYBABAY/三种形式的逻辑方程式三种形式的逻辑方程式SYMBOL=EXPRESSIONSYMBOL:=EXPRESSIONSYMBOL.OE=EXPRESSION逻辑表达式逻辑表达式输出引脚名输出引脚名“非非”运算运算GAL器件的应用与开发器件的应用与开发(4)uGAL器件的开发应用举例器件的开发应用举例-举例说明举例说明FM软件源文件的编写软件源文件的编写例例:试用试用GAL器件实现器件实现6个基本逻辑门个基本逻辑门:“与与”门、