2章可编程逻辑器件基础 - shandong university

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第2章 可编程逻辑器件基础

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2.1 PLD的基本结构和表示方法

可编程逻辑器件（PLD）：Programmable Logic Device

PLD的应用和发展简化了电路设计、降低了成本，提高了系统的可靠性和保密性，推动了EDA工具的发展，而且改变了数字系统的设计方法。

EDA技术应用的一个重要基础

PLD的基本结构有两种：与或阵列结构和查找表结构

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2.1.1 PLD的与或阵列结构

任何一个逻辑函数都可以用与—或逻辑式表示，亦即用一个与—或阵列来实现。

图2.1.1 与或门电路及用阵列表示示意图

例：Y1 = A · B + A · C Y2 = A · B + B · C

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实际的PLD是在上述与—或阵列的基础上配以输入

和输出电路而实现的。

图2.1.2 PLD基本结构框图

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输入电路－－－输入缓冲器

图2.1.3 PLD输入缓冲电路

主要作用：

降低对输入信号的要求，使之具有足够的驱动能力

产生原变量和反变量两个互补的信号

例：Y1 = A · B + A · C Y2 = A · B + B · C

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输出电路－－－输出缓冲器

图2.1.4 PLD输出缓冲电路

PLD的输出方式有多种，如：由或阵列直接输出的组

合方式，通过寄存器输出的时序方式。

输出可以是低电平有效，也可以是高电平有效。

不管采用什么方式，在输出端口上往往做有三态电路，

且有内部通路可以将输出信号反馈到与阵列输入端。

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2.1.2 PLD与或阵列的表示方法

1. 与阵列：

输入项三输入端与门

积项线

编程点

与阵列可用省略画法表示

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图2.1.6 输入端全部编程连接的与门的省略画法

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2.或阵列：其表示方法与与阵列相似

图2.1.7 或阵列的表示方法

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3.与—或阵列：

. . .F1 = A B + A B +A B

. .F2 = A B +A B

. .F3 = A B +A B

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2.1.3 PLD的查找表结构

• 一个N输入查找表 (LUT，Look Up Table)可以实现N个输入变量

的任何组合逻辑功能，如 N输入“与”、 N输入“异或”等。

• 输入多于N个的逻辑函数、逻辑方程等必须分开用几个查找表（

LUT）实现

输出查 黑找 盒表 子

输入1

输入2

输入3

输入4

1、查找表的概念1、查找表的概念

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● 使用SRAM构成函数发生器，函数值放在SRAM中，SRAM的地址为输

入变量，输出为逻辑函数值。

M个输入的SRAM可以实现任意一个M个输入项的组合逻辑函数。

● 使用多路开关实现，其基本原理是将多路开关的数据输入端接固

定电平，将其地址输入作为函数的输入，多路开关的输出为逻辑函

数值。

2、查找表的实现方法

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0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

1

0

1

输入 A 输入 B 输入C 输入D

查找表输 出

16x1RAM

由多路开关构成的查找表原理

多路开关

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2.2 PLD的分类

由于历史的原因，对可编程逻辑器件的命

名不很规范，一种器件往往具备其他几种器件

的特征，无法严格分类

所以可编程逻辑器件有多种分类方法，没

有统一的标准，下面介绍几种常见的分类法：

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1. 按集成度分类

低密度PLD：ROM、PAL、GAL等

高密度PLD：EPLD CPLD、FPGA等

低密度可编程逻辑器件也有人称为简单可编程逻辑器件（SPLD）

一般按照GAL22V10芯片的容量（大致在750门左右）进行区分

历史上GAL22V10是LDPLD和HDPLD的分水岭

PLD

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PROM

可编程逻辑器件

低密度可编程逻辑器件（LDPLD）

高密度可编程逻辑器件（HDPLD）

PLA PAL GAL EPLD CPLD FPGA

PLD按集成度分类：

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PROM: 与—或阵列结构，与阵固定，或阵可编程

价格低，易于编程，适合于程序代码、函数和数据表格

PLA: 与—或阵列结构，与阵、或阵都可编程

由于开发软件的原因，应用不广泛

PAL: 与—或阵列结构，与阵可编程，或阵固定

特点：价格低，速度高，使用方便

GAL: 与—或阵列结构 + 输出逻辑宏单元（OLMC），与阵

可编程，或阵固定

特点：品种少、功能较强、使用方便灵活、可多次编程，因而是小规模应用时的理想器件

低密度PLD（LDPLD）：

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高密度PLD（HDPLD）：

EPLD：可擦除PLD

结构：和GAL基本相同--大量增加了输出宏单元的数目特点：集成密度大大提高，增加了设计的灵活性，内

部连线固定，时延很小，工作速度高

CPLD：复杂可编程逻辑器件

结构：主要包括可编程逻辑宏单元、可编程I/O、

可编程内部连线。

特点：时延固定，工作速度高

FPGA：现场可编程门阵列。

结构：可编程逻辑块、可编程I/O和可编程内部互连

特点：含有较多的触发器、快速的局部互连和很高

的集成度

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2. 按结构分类｛阵列型PLD

单元型PLD

（1）阵列型：

“与阵列＋或阵列＋寄存器”的形式，如PAL、GAL、CPLD等

。

（2）单元型：

“查找表＋寄存器”的形式，如FPGA。

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3、按编程工艺分类：

（1） ROM: 称为掩膜编程，由半导体生产厂家对器件

进行编程；

（2） PROM: 使用熔丝或反熔丝编程器件,一次性编程；

（3） EPROM: 紫外线擦除/电编程，可多次编程；

（4）EEPROM: 电擦除/电编程，可多次编程。和EPROM相比，

具有擦除方便和编程速度快的优点；

（5） SRAM: 使用SRAM为编程器件，可多次编程。

其中：（1）～（4）类为非易失性器件；

（5）为易失性器件，使用时需要配置器件。

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General Array Logic Device

与阵列 + 输出逻辑宏单元（OLMC）

2.3 GAL器件的结构及特点

2.3.1 GAL的结构框图

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逻辑宏单元

输入/输出口

输入口

时钟输入

三态控制

可编程与阵列

固定或阵列

图2.3.4 GAL结构图

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2.3.2 输出逻辑宏单元（OLMC）的结构与原理

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GAL的四种输出组态

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2.3.3 GAL的主要特点

※ 通用性好。宏单元可根据需要任意组态，

当输入引脚不够用时还可将OLMC组态为输入端，

因而使用十分灵活；

※ 采用UVMOS或EECMOS工艺，可重复使用；

※ 方便生产和使用。只有GAL16V8、20V8、39V18等

少数几个品种。

1、GAL的优点

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※ 只能作为同步时序电路使用，且只能是外加

时钟；

※ 各触发器只能同时置位和清零；

※ 每个宏单元只有一条向与阵列反馈的通道；

※ 每个OLMC中或门的输入端是固定的。

2、GAL的不足

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2.4 CPLD的结构及特点

2.4.1 Lattice公司ispLSI器件的结构

20世纪90年代以来，Lattice首先发明了ISP（In-System Programmability）下载方式，并将E2CMOS与ISP相结合，使CPLD的应用领域有了巨大的扩展。

ispLSI器件都属于乘积项方式构成可编程逻辑的阵列型CPLD，基本结构由五部分组成：通用逻辑块（GLB）、集总布线区（GRP）、输入输出单元（IOC）、输出布线区（ORP）和时钟分配网络（CDN）。以ispLSI系列的CPLD为例分析一下其基本结构。

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1、ispLSI1032E功能结构图

全局布线池

通用逻辑块GLB

I/O单元

输出布线池

时钟分配网络

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a. 标准组态

2、 ispLSI1032---GLB

30b. 高速直通组态

31c. 异或逻辑组态

32d. 单乘积项组态

33e. 多模式组态

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（1）使用灵活。

乘积项共享阵列的输入来自4个或门，而其4个输

出则用来控制该单元中的4个触发器。至于哪一个或门

送给哪一个触发器不是固定的，而靠编程决定，一个或

门输出可以送给几个触发器，一个触发器也可以同时接

受几个或门的输出信息，甚至还可以跨过PISA直接将或

门输出送至某个触发器。

GLB总结

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（2）同一GLB中的触发器必须同步工作。

虽然输出逻辑宏单元中4个D触发器的时钟是连

在一起的，但所使用的时钟信号却有多种选择，可

以是全局时钟，也可以是片内生成的乘积项时钟。

不同GLB中触发器可以使用不同的时钟。

（3） 同一GLB中4个触发器同时复位。

复位信号可以是全局复位信号或GLB中乘积项产

生的复位信号，两者始终是或的关系。

GLB是ispLSI芯片中最关键的部件，它是一种

标准逻辑块。

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1、ispLSI1032E功能结构图

全局布线池

通用逻辑块GLB

I/O单元

输出布线池

时钟分配网络

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3、ispLSI1032---IOC结构

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ispLSI1032---IOC组态

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1、ispLSI1032E功能结构图

全局布线池

通用逻辑块GLB

I/O单元

输出布线池

时钟分配网络

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4、ispLSI1032---ORP

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1、ispLSI1032E功能结构图

全局布线池

通用逻辑块GLB

I/O单元

输出布线池

时钟分配网络

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5、ispLSI1032---CDN

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2.5 FPGA的结构特点

2.5.1 FPGA的基本结构

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1、CLB结构示意图

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2、 IOB结构示意图

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3. 内部互连资源（PI）和开关矩阵SM（Swiching Matric）

（1）长线互连

水平长线

四条外侧的长线是可连的半长线

垂直长线

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（2）直接互连（Direct Interconnect）每个CLB与其周围的4个CLB之间及最外层CLB与相邻IOB间的连接，这种连接方式的工作速度最高。

（3）一般互连BB

CB

DB

BC BD

CC CE

DC DE

开关矩阵

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（4）开关矩阵

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FPGA与CPLD的比较

1、逻辑块的粒度不同

FPGA中逻辑块粒度小，其输入变量为4～8，输出为1～2，每块芯片中有几十到几千个这样的逻辑块。

CPLD中逻辑块粒度则较大，通常有数十个输入端和一、二十个输出端，每个芯片只分成几块，甚至不分块。

使用时，CPLD不如FPGA灵活

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2、逻辑块之间的互连结构不同

CPLD： 集中式的互连，其特点是等延时，设计者可

事先预知所设计电路的时延。

FPGA：分布式的互连，其延时与系统布局有关，设计

者无法事先预知所设计电路的时延。

使用时，CPLD优于FPGA

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3、应用场合不同

CPLD： 逻辑强但寄存器少，有利于控制密集型系统常应用于如高速缓存、DRAM控制和DMA控制等

FPGA：逻辑弱但寄存器多，有利于数据密集型系统常应用于需要大量数据处理能力的通讯领域。