北京交通大学电气工程学院数字电子技术第六章

第六章可编程逻辑器件PLD可编程逻辑器件PLD概述可编程逻辑器件PLD的基本单元可编程只读存储器PROM和可编程逻辑阵列PLA可编程阵列逻辑PAL和通用阵列逻辑GAL高密度可编程逻辑器件HDPLD原理及应用现场可编程门阵列FPGA随机存取存储器RAM小结第一节可编程逻辑器件PLD概述

PLD是70年代发展起来的新型逻辑器件。一、PLD的基本结构与门阵列乘积项PLD主体输入电路输入信号互补输入输出函数反馈输入信号或门阵列和项输出电路F2=B+C+D二、PLD的逻辑符号表示方法1.输入缓冲器表示方法AAA2.与门和或门的表示方法固定连接编程连接F1=A•B•C×下图给出最简单的PROM电路图，右图是左图的简化形式。实现的函数为：固定连接点（与）编程连接点（或）三、PLD的分类1．与阵列固定，或阵列可编程：

可编程只读存储器PROM

可擦除编程只读存储器EPROM

PLD基本结构大致相同，根据与或阵列是否可编程分为三类：2．与阵列，或阵列均可编程：

可编程逻辑阵列PLA3．与阵列可编程，或阵列固定：

可编程阵列逻辑PAL

通用阵列逻辑GAL

高密度可编程逻辑器件HDPLDABCBCA000001010111连接点编程时，需画一个叉。全译码1．与阵列固定，或阵列可编程2.与、或全编程：

代表器件是PLA（ProgrammableLogicArray）。在PLD中，它的灵活性最高。下图给出了PLA的阵列结构。

由于与或阵列均能编程的特点，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。××不像PROM那样与阵列需要全译码。3.与编程、或固定：代表器件PAL（ProgrammableArrayLogic）

和GAL（GenericArrayLogic）。在这种结构中，或阵列固定若干个乘积项输出。×

每个交叉点都可编程。F1

F1为两个乘积项之和。各种PLD的结构特点第二节可编程逻辑器件PLD的基本单元编程单元：PLD中用来存放数据的基本单元。非易失性有多种编程单元，其特点是掉电后信息不会丢失，它一般用于只读存储器。易失性单元：这种基本单元采用的是静态随机存储器（SRAM）结构，其特点是掉电以后信息就要丢失。以后讲到的现场可编程门阵列（FPGA）采用这种编程单元。非易失性单元：编程单元第二节可编程逻辑器件PLD的基本单元编程单元：PLD中用来存放数据的基本单元。编程方式一次编程：信息一次编程固定好，编程元件是PROM。多次编程：用户根据需要将数据储存在编程单元中，并可以多次写入和擦除，例如：UVEPROM、E2PROM以及闪速（Flash）存储器等。编程单元采用的是浮栅技术。用熔丝型开关和反熔丝型开关作为编程单元

A1

A0

Y1

Y2

Y3

Y4

十进制

0

0

0

1

1

0

11

0000

0001

0100

1001

0

1

4

9

一、熔丝型开关000

0

0

04字×4位熔丝结构的PROM被选中的字线为高电平熔丝均被烧断

A1

A0

Y1

Y2

Y3

Y4

十进制

0

0

0

1

1

0

11

0000

0001

0100

1001

0

1

4

9

一、熔丝型开关111

0

0

1熔丝均被烧断4字×4位熔丝结构的PROM二、反熔丝型开关用高压将PLICE介质击穿。击穿后呈低电阻。三、浮栅编程技术用浮栅编程技术生产的编程单元是一种能多次改写的ROM。（一）叠栅型（SIMOS）存储单元问题：浮栅上的电荷无放电通路，没法泄漏。在70o环境中，全部电荷放完需100年。用紫外线照射芯片上的玻璃窗，则形成光电电流。UVEPROM芯片上开有一个石英玻璃窗口（二）隧道型（FLOTOX）储存单元电可改写只读存储器E2PROM，即电擦除、电编程的只读存储器。（三）闪速型（Flash）存储单元又称为快擦快写存储单元。（四）六管静态存储单元闪速存储单元的可再编程能力约为10万次左右，SRAM有无限制的再编程能力。第三节可编程只读存储器PROM和可编程逻辑阵列PLA一、可编程只读存储器PROM

PROM的结构是与阵列固定、或阵列可编程的PLD器件。对于有大量输入信号的PROM，比较适合作为存储器来存放数据，它在计算机系统和数据自动控制等方面起着重要的作用。例1：下图是一个8（字线）×4（数据）的存储器数据阵列图。对于较少的输入信号组成的与阵列固定、或阵列可编程的器件中，也可以很方便地实现任意组合逻辑函数。

3线-8线译码器8×4存储单元矩阵输出缓冲器数据输出端地址码输入端字线由地址译码器选中不同的字线，被选中字线上的四位数据通过输出缓冲器输出。如当地址码A2A1A0＝000时，通过地址译码器，使字线P0＝1，将字线P0上的存储单元存储的数据0000输出，即D0～D3＝0000。00010000将左图地址扩展成n条地址线，n位地址码可寻址2n个信息单元，产生字线为2n条，其输出若是m位，则存储器的总容量为2n×m位。

EPROM有各种类型的产品，下图是紫外线擦除、电可编程的EPROM2716器件逻辑框图和引脚图。

EPROM2716是211×8位可改写存储器，有11位地址线A0～A10，产生字线为2048条，D7～D0是8位数据输出/输入线，编程或读操作时，数据由此输入或输出。

CS为片选控制信号，是低电平有效。

OE/PGM为读出/写入控制端，低电平时输出有效，高电平进行编程，写入数据。下图是将2片2716扩展成2048×16的数据的连接示意图。由此可写出输出逻辑函数的最小项表达式为：

F1＝m（4,8,9,12,13,14）

F2＝m（0,5,10,15）

F3＝m（1,2,3,6,7,11）（2）把A1A0和B1B0作为PROM的输入信号，F1、F2和F3为或阵列的输出，下图是用PROM实现比较器的阵列图。例2：试用适当容量的PROM实现两个两位二进制数比较的比较器。（3）选用PROM的容量16×3位可满足要求。可见，以PROM实现简单的组合逻辑电路函数是很方便的。

4个地址进行全译码，产生16个乘积项。0...15

3个输出产生3个乘积项之和函数。实际上，大多数组合逻辑函数的最小项不超过40个，使得PROM芯片的面积利用率不高，功耗增加。一般PROM输入地址线较多，容量也较大，又因为PROM的与阵列固定，必须进行全译码，产生全部的最小项。为解决这一问题，考虑与阵列也设计成可编程形式来实现组合逻辑，由这一设想发明了可编程逻辑阵列（PLA）。二、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：（一）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；（二）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；（三）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；（四）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。例3:

试用PLA实现四位自然二进制码转换成四位格雷码。（1）设四位自然二进制码为B3B2B1B0，四位格雷码为G3G2G1G0，其对应的真值表如下表所示。NB3

B2

B1

B0G3

G2

G1

G0012345678910111213141500000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000根据表列出逻辑函数并简化，得最简输出表达式如下：（2）转换器有四个输入信号，化简后需用到7个不同的乘积项，组成4个输出函数，故选用四输入的7×4PLA实现，下图是四位自然二进制码转换为四位格雷码转换器PLA阵列图。右图仅用七个乘积项，比PROM全译码少用9个，实现的逻辑功能是一样的。从而降低了芯片面积，提高了芯片利用率，所以用它来实现多输入、多输出的复杂逻辑函数较PROM有优越之处。

PLA除了能实现各种组合电路外，还可以在或阵列之后接入触发器组，作为反馈输入信号，实现时序逻辑电路。4个输出与阵列或阵列四个自然二进制码输入××××××××七个乘积项例4：PLA和D触发器组成的同步时序电路如图所示，要求：（1）写出电路的驱动方程、输出方程。（2）分析电路功能，画出电路的状态转换图。D

Q0

Q0D

Q1

Q1D

Q2

Q2QCCCP解：（1）根据PLA与或阵列的输入/输出关系，可直接得到各触发器的激励方程及输出方程：D0=Q0+Q1Q0

D1=Q1Q0+Q1Q0D2=Q0

Q2+Q2Q0QCC=Q0

Q1Q2+

Q0

Q1

Q2D0=Q0+Q1Q0D0（2）先设定电路的状态，根据触发器的激励方程和输出方程，可列出下表所示的电路状态转换表。

Q2

Q1

Q0D2

D1

D0Q2n+1Q1n+1Q0n+1QCC00000101001110010111011110101110101000111100111010101110101000111100111010000010根据状态转换表，画出下图所示的电路状态转换图。000101111110001011010100该电路是能够自启动的同步六进制计数器。第七节随机存取存储器（RAM）在计算机及数据处理系统中需要存放大量数据、中间结果、表格等设备，可以用随机存取存储器RAM。

RAM可分为单极型和双极型，这里只以单极型RAM为例进行分析。单极型RAM又可分为静态RAM与动态RAM：静态RAM是用MOS管触发器来存储代码，所用MOS管较多、集成度低、功耗也较大。动态RAM是用栅极分布电容保存信息，它的存储单元所需要的MOS管较少，因此集成度高、功耗也小。静态RAM使用方便，不需要刷新。一