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第六节大规模集成电路

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第六节集成电路 大规模集成电路
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中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 第六章 大规模集成电路 (LSI integrated circuit) 6.1 概述(summary) 6.2 存储器( memory ) 6.3可编程逻辑器件(PLD) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 基本要求 ]、掌握RAM的电路结构、工作原理,了解静态 RAM和动态RAM的存储原理、使用方法: 2、掌握各种ROM的工作原理和使用方法; 3、掌握简单PLD的结构、编程原理; 4、掌握PAL、 GAL的结构、工作原理; 5、了解CPLD、FPGA、ISP-PLD等可编程逻辑器件 的结构和编程原理; 6、了解可编程逻辑器件的开发技术。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.1 概述(summary) 一、用SSI和MSI构成数字系统存在的问题 •体积大 •重量大 •功耗高 • 成本高 •可靠性差 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 二、LSI的现状和前景 目前,在单块硅片上集成十万个元件、器件的大规模集 成电路已广泛应用到各种电子仪器和设备中。集成电路一进 入超大规模和甚大规模阶段,如实验室用到的lattics公司的 Flex10K10系列,等效门数为10000门,另外还有Flex10K100 系列,等效门数为100000门。 近年来,随着电子设计自动化技术的发展,以及可编程 逻辑器件的广泛应用,使电子电路设计方法和手段都得到了 不断的改进和创新,也为大规模集成电路的应用开辟了新的 途径。可以预见,大规模集成电路必将越来越广泛地应用于 通信技术、计算机技术、自动控制技术等领域中,PLD的原 理和应用是每个电子工程师必备的一门技术。大规模集成电 路的制造技术和应用技术都得到了飞速发展,主要表现在以 下几个方面。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) (1)密度越来越高 单片密度已达十万、几十万、甚至几百万门,已进入超 大规模和甚大规模阶段。 (2)用户可编程且拥有多种编程技术 (3)设计工具不断完善 现有的设计自动化软件即支持功能完善硬件描述语言 如VHDL、Verilog等作为文本输入,又支持逻辑电路图 、工作波形图等作为图形输入。 如isp、icr。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 从应用的角 度分 专用型:如手机芯片、电视机芯片 从逻辑功能分 存储器 PLD CPU 单片机 从制造工艺分 三、 LSI的分类 通用型:如存储器、微处理器、单片机 双极型 单极型 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 四、 本章主要内容 1、存储器:掌握静态RAM的存储原理、 使用方法 掌握各种ROM的工作原理、使用方法。 2、掌握简单PLD的结构和编程原理,为以后 学习复杂可编程逻辑器件打下基础。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.2 存储器( memory ) 存储 器的 分类 RAM ROM 双极型 单极型 静态 动态 ROM PROM EPROM E2PROM 闪速存储器 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 可读可写 读写方便 所存储信息会因断电而丢失 6.2.1 读写存储器RAM(Random Access Memory) 用途 : 特点 : 常用来放一些采样值、运算的中间 结果,数据暂存、缓冲和标志位等 。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 存储矩阵 地址译码器 片选及读写控制电路 (1)存储矩阵 每个存储单元能存放一位二值信息。存储器的容量是指 存储单元的数目。 存储容量=存储单元的数目=行数*列数=字数*位数 1、RAM的结构 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) (2)地址译码 一个RAM由若干字和位组成。 通常信息的读出和写入是以字为单位进行的。为了 区分不同的字,将存放同一个字的各个存储单元编 为一组,并赋予一个号码,称为地址。 地址的选择是借助于地址译码器实现的。容量小 的可以只用一个译码器,容量大的通常采用双译码 结构,即将输入地址分为两部分,分别由行译码器 和列译码器进行译码。行列译码器的输出即为存储 矩阵的字线和位线,由它们共同确定欲选择的存储 单元。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) X1 例如:1024*1的存储器,可以排列成32*32的矩阵 。 A5 A6 A7 A8 A9 A0 A1 A2 A3 A4 行 译 码 器 列 译 码 器 ( 0,0)( 0,1)( 0,2)……(0,30)( 0,31 ) ( 1,0)( 1,1)( 1,2)……(1,30)( 1,31) ( 2,0)( 2,1)( 2,2)……(2,30)( 2,31 ) (30,0)(30,1)(30,2)……(30,30)(30,31 ) X0 X30 X2 X31(31,0)(31,1)(3,2)……(31,30)(31,31 ) Y0Y31Y1Y2Y30 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) X1 例如:1024*2的存储器,可以排列成32*64的矩阵 。 A5 A6 A7 A8 A9 A0 A1 A2 A3 A4 行 译 码 器 列 译 码 器 ( 0,0)( 0,1)( 0,2)( 0,3)……( 0,63)( 0,64 ) ( 1,0)( 1,1)( 1,2)( 1,3)……( 1,63)( 1,64) ( 2,0)( 2,1)( 2,2)( 2,3)……( 2,63)( 2,64 ) (30,0)(30,1)(30,2)(30,3)……(30,63)(30,64) X0 X30 X2 X31 (31,0)(31,1)( 3,2)(31,3)……(31,63)(31,64 ) Y0Y1Y2 Y30Y31 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) (3)片选及读写控制电路 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 强调 CPU 读:把存储器里的数据读到口线上 ; CPU写:把口线上的数据写到存储器里 。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 例 1024*4的RAM的结构图 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 2 静态存储单元 静态存储单元=触发 器+控制电路 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 3 动态存储单元 利用MOS管栅极电容的电荷存储效应来组成动态 存储器。 优点:单元电路简单 缺点:由于栅极电容的容量很小,通常只有几个 pF,且不可能没有漏电流,所以,电荷的存储时 间有限。 克服的办法:为了能及时的补充泄漏掉的电荷 ,以避免存储信息的丢失,必须定时地给栅极电容 补充电荷,把这种操作叫做刷新。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 1)读操作程序 A 先加预充电脉冲,使CB、C/B充电至高电平 B 使X、Y同时为高电平 2)写操作程序 使X、Y同时为高电平即可写入。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.2.2 只读存储器ROM 定义:只读存储器ROM(Read—Only memory)是存储固定信息的存储器件,即 先把信息和数据写入到存储器中,在正常工 作时它存储的数据是固定不变的,只能读出 ,不能迅速写入,故称为只读存储器。 特点:掉电后存储的数据不会丢失。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 按使用的器件的类型分 : ROM的分类: 二极管ROM 双极型三极管ROM MOS管ROM 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 固定ROM: 出厂时已完全固定下来,使用时无法再更 改,也称掩模编程ROM。 PROM: 允许用户根据需要写入,但只能写一次。 EPROM: 允许用户根据需要写入,可以擦除后重新写入, 但 操作复杂、费时。 EEPROM: 允许用户根据需要写入,可以擦除后重新写入, 操作比较简便、快捷。 闪速存储器:仍是ROM,兼有EPROM、EEPROM、RAM 的特点,既有存储内容非丢失性,又有 快速擦写和 读取的特性。 按数据的写入方式分: 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) ROM的用途 : 1、存储各种程序代码; 2、实现多输入、多输出逻辑函数真值表; 3、代码的变换、符号和数字显示等有关数 字电路及存储各种函数等。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 1、ROM的结构 输入驱动器:起着缓冲的作用,且生成互补的输入 信号。 输出缓冲器:既有缓冲作用,有可以提供不同的 输出结 构,如三态输出、OC输出等 。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) (1)二极管ROM 1)电路组成:具有两位地址输入码和4位数据输 出的ROM 的结构如下图所示。 二极管ROM 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 2)读操作程序 使三态缓冲器的的/EN=0,从A1A0输入指定的地 址码,则由地址所指定的存储单元中存放的数据 便出现在输出数据线上。 补充内容: A:存储容量的扩展 (1)位数的扩展 通常RAM芯片的字长多设计成1位、4位、8位等,当实际 的存储器系统的字长超过RAM芯片的字长时,需要对RAM实 行位扩展。 位扩展可以利用芯片的并联方式实现,即将RAM的地址线 、 R//W线和片选信号线对应地并接在一起,而各个片子的输入/ 输出(I/O)作为字的各个位线。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 例2 把1024*4的RAM扩展为1024*8的 RAM 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 例 把1024*1的RAM芯片扩展成1024*8的 RAM。 首先要确定的是需要几片1024*1的RAM。 然后确定怎么连接。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) (2)字数的扩展 字数的扩展可以利用外加译码器控制芯片的片选输入端来实 现。 例1 将1K*4的RAM芯片扩展为2K*4的存储器系统。 第一片的存储容量为1K*4 地址范围是 A10 A9 A8 A7…A0 0 0 0 00000000 000H 0 1 1 11111111 3FFH 第二片的存储容量为1K*4 地址范围是 A10 A9 A8 A7…A0 1 0 0 00000000 400H 1 1 1 11111111 7FFH 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 例2: 将1K*4的RAM扩展为4K*8的存储 器系统。 解:所需的芯片数量为4K*8/1K*4=8片 地址总线为12根,数据总线为8根。 具体连接如下: 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) B、 常用的静态RAM 电路有6116、6264、 62128、 62256。 常用的EEPROM存储器有2816、2864、2817。 常用的EPROM存储器有2716、2764。 6116 2864 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 其中 A0—AI :地址输入线 O0—O7: 双向三态数据线 /CE :片选信号输入线 /OE :读选通信号输入线 /WE :写允许信号输入线 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 2 、EPROM 在研制一个数字系统的过程中,用户常常希望能 够按照自己的需要对ROM 进行编程,这样的ROM叫做 可编程ROM或EPROM。 PROM在出厂时,制作的是一个完整的二极管或三 极管存储单元矩阵,相当于所有的存储单元全部存入1 。在每个单元的三极管发射极上都接有快速熔丝,它 是用低熔点的合金或很细的多晶硅导线制成的。 写操作:在写入数据时,首先应找出要写入0 的单元地址,并输入相应的地址码,使相应的字线 输出高电平,然后在相应的位线上按规定加入高电 压脉冲,使稳压管UZ导通,写入放大器AW的输出 呈低电平、低内阻状态,相应存储单元的三极管饱 和导通,有较大的脉冲电流流过熔丝,并将其熔断 。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 读操作: 先读熔丝未熔断的,相应字线为高电 平,电路等效为(a)图。 再读熔丝 熔断的,如图(b)。 VCC H H (a) H L (b) 显然, PROM的 有关存储 单元的数 据0一经写 好后,就 不能作任 何更改, 所以使用 的灵活性 受到一定 限制。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 3 、EPROM:采用浮栅型MOS器件作为存储单 元的一个元件,需紫外线照射才能擦除,大概需 要10——30分钟,可擦除上万次。 4 、EEPROM:同样采用浮栅工艺,但可利用 一定宽度电脉冲擦除。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3 可编程逻辑器件 6.3.1概述 自20世纪60年代初集成电路诞生以来,经 历了SSI 、MSI 、LSI的发展过程,目前已进入了超 大规模(VLSI)和甚大规模(ULSI)阶段,数字系 统设计技术也随之发生了崭新的变化。 前已指出,数字系统是由许多子系统或逻辑 模块构成的。设计者可以根据各模块的功能选择 适当的SSI、MSI以及LSI芯片拼接成预定的数字系 统,也可把系统的全部或部分模块集成在一个芯 片内,称为专用集成电路ASIC。使用ASIC不仅可 以极大的减少系统的硬件规模(芯片数、占用的 面积及体积等),而且可以降低功好、提高系统 的可靠性、保密性及工作速度。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) ASIC(Application of special integrate circuit )是一种由用户定制的集成电路。又可以 分为全定制电路和半定制电路。 全定制电路:制造厂按用户提出的逻辑要求,专门 设计和制造的芯片。这类芯片专业性强,适合在大 批量定性生产的产品中使用。常用的有电子表机芯 、存储器、中央处理器CPU芯片等。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 半定制经历了这样两个过程:首先由制造厂制成 标准的半成品,然后由制造厂根据用户提出的逻 辑要求,再对半成品进行加工,实现 预定的数 字系统芯片。典型的半定制器件是20世纪70年代 出现的门阵列(Gate Array,GA)和标准单元 阵列(Standard Cell Array ,SCA)。它们分 别在芯片上集成了大量逻辑门和具有一定逻辑功 能的逻辑单元,通过布线把这些硬件资源连接起 来实现数字系统.这两种结构的ASICA布线(即编 程都是由集成电路制造厂完成的。) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 随着集成电路制造工艺和编程技术的提高,针 对GA和SCA这两类产品的设计和编程都离不 开制造厂的缺点,从20世纪70年代末开始, 发展了一种称为可编程逻辑器件(PLD)的半 定制芯片。PLD芯片内的硬件资源和连线资源 也是由制造厂生产好的,但用户可以借助功能 强大的设计自动化软件(也称设计开发软件) 和编程器,自行在实验室内、研究室内,甚至 车间等生产现场,按照下述的过程,进行设计 编程,实现所希望的数字系统。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 算法设计和电路划分 图形输入和文本输入 编译和逻辑仿真 设计实现 目标文件下载 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) PLD作为ASIC的一个重要分枝,其制造技术和应用技术 都取得了飞速的发展:主要表现在以下方面 (1)电路结构 PLD SPLD HDPLD CPLD EPLD FPGA SPLD——两级与或结构的单元电路。 CPLD——有效扩展SPLD和吸取SCA的构思的基础上构 成的。其基本结构形式和PAL、GAL相似,由可编程的 与阵列、固定的或阵列和逻辑宏单元组成,但集成规 模比PAL和GAL大得多。 FPGA——从GA的基础上发展的。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) (2)高密度 (3)工作速度高 (4)多种编程技术 (5)设计工具的不断完善 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3.2 PLD的基本组成 任何一个组合电路,总可以用一个或多个 与或表达式来描述;任何一个时序电路总可 以用输出方程组和驱动(激励)方程组来描 述,而输出方程和驱动(激励)方程也都可 以是与或表达式。如果PLD包含了实现与或 表达式所需的两个阵列——与门阵列和或门 阵列,那就能够实现组合逻辑,如果配置记 忆元件还可以实现时序电路。SPLD就是根据 此理构成的。下图为SPLD的基本组成框图。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 输入电路:起着缓冲作用,且生成互补的的输 入信号。 输出电路:既有缓冲作用,又可以提供不同的 输出结构,如三态(3S)输出,OC输出以及寄存 器输出等。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3.3 PLD的编程 A B C D 6.3.4阵列结构 例如 : 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 或阵列可编程的示意图 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 图(b)中,或阵列的耦合元件均串入了熔丝 ,从而构成可编程结构,因此输出函数F1、F2 、F3可在用户编程时定义。通常所说的可编程 还是不可编程就取决于阵列中输入、输出线交 叉点处的耦合元件能否根据用户要求连接(即 接通熔丝)或不连接(即断开熔丝)。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 根据与阵列和或阵列各自是否可编程以及 输出方式可否编程,SPLD可分为四大类 型: 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3.5 PLD中阵列的表示方法 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 可编程只读存储器不仅可用作只读存储器,也可 作可编程器件使用。 特点:与阵列固 定,或阵列可编 程 6.3.6 可编程只读存储器 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 例1 用PROM实现如下函数 解题思路: 1)写出最小项表达式 2)在PROM上实现 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 例2 用PROM器件将4位二进制码转换为格雷码 。 用PROM实现的缺点:每增加一个输出变 量,熔丝与阵列的大小就会成倍增加。 1)列真值表 输入为B3、B2、B1、B0,输出为 G3、G2、 G1、G0 2)写出最小项表达式 3)在PROM上实现 解题思路(步骤基本同小规模或中规模) 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3.7 可编程逻辑阵列PLA 特 点: 与 阵 列 或 阵 列 均 可 编 程 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 例1:用PLA实现将四位二进制码转换为格雷码。 解题思路: 1)列真值表 输入为B3、B2、B1 、B0,输出为G3、G2、G1、G0 2)写出逻辑函数表达式并化简 3)在PLA上实现 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 1)列真值表 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 2)写出表达式并化简 G0=X1+X2+X5+X6+X10+X13+X14 G1=X2+X3+X4+X5+X10+X11+X12+X13 G2=X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11 G3=X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15 用卡诺图化简结果如下: 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) B3 B2 B1 B0 优点:用PLA来 实现用的内存容 量少。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 例2:用JK触发器并附加PLA设计同步 8421BCD码的十进制计数器。 提示:步骤同用小规模时序逻辑电路设计。求出驱 动方程后用PLA实现其中的组合逻辑电路。 解: 1)列状态转换图;2)状态分配(状态编码) ; 3)选择触发器类型(在此选JK触发器),作次 态卡诺图,求电路的状态方程,得到一组驱动方程。J0=K0=1 J1=/Q3Q0 K1=Q0 J2=K2=Q1Q0 J3=Q2Q1Q0 K3=Q3 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 4) 画出逻辑电路图 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3.8 可编程阵列逻辑PAL PAL是在PLA之后出现的一种PLD。由于PLD的飞 速发展,这类器件已用得不多,但它是后续出现的 GAL以及更为强大的CPLD的基础,这里仅介绍PAL的 基本原理。 PLA与其它PLD器件一样包含一个与阵列和一个 或阵列,主要特征是与阵列可编程,而或阵列固定 不变。因而用PAL实现逻辑函数时,每个输出是若干 个乘积项之和,而乘积项的数目是固定的。 PAL品种很多,可以满足各种不同的需要。用户 可以根据使用要求,选择其阵列结构大小、输入输 出数目与方式,以实现各种组合逻辑和时序逻辑功 能。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 一、根据输出结构不同,可分为以下四种类型。 1、与或输出型 其输出也有三种类型 1)型号中带有字符H的芯片,如PAL10H8,输出 高电平有效。 2)型号中带有字符H的芯片,如PAL12L8,输出 低电平有效。 3)型号中带有字符C的芯片,如PAL20C1,输出 为互补输出。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 2、可编程的输入输出结构 除具有一般的与阵列和或阵列外,换具有三态输出缓冲 器以及由输出反馈到输入的特性。其特性是: 1)可对与阵列编程来直接控制PAL的三态输出缓冲器的控 制端,以控制与或阵列的输出端是作为输出或是作为输入, 比如实验中用到的FLEX10K10系列EPF10K1084—4这一芯片 上的I/O管脚。 2)反馈结构能使输出信号返送回到PAL的与阵列,当输出 三态缓冲器未被选通时,可将此引脚作为PAL的输入。输出 三态缓冲器已被选通时,它就具有I/O功能。可用于数据的 移位和循环操作。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 3)具有反馈的寄存器输出结构,这 类器件的型号都带有字符R。 4)具有异或功能及反馈的寄存器输出 。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3.9 复杂的可编程逻辑器件(CPLD) 结构同PAL、GAL,芯片资源更丰富,另外,从系统体积 、功耗、工作速度、可靠性、设计灵活性等方面来说,用 CPLD设计数字系统比用PAL或GAL设计数字系统具有更大 的、更明显的优势。 6.3.10 现场可编程门阵列(FPGA) PLD一般都采用与—或阵列加上输出逻辑宏单元的结构 形式,而FPGA则采用了完全不同的结构,它由若干个独 立的可编程逻辑模块组成,用户可通过编程将这些逻辑 模块联接成所需要的数字系统。因为这些模块的排列形 式和门阵列(GA)中的单元排列形式相似,所以沿用了 门阵列的名称。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3.11 在系统可编程逻辑器件(ISP—PLD) 对于PAL、GAL、CPLD和FPGA器件,不管它们采用熔丝 工艺制作,还是采用UVEPROM或E2CMOS工艺制作, 在对它们编程时,都要用到高于+5V的编程电压信号, 而电路板上通常用+5V电压供电,因此对这类器件编程 时,必须将它们从电路板上取下,插到专用的编程器上 ,由编程器产生各种编程需要的高压脉冲信号,来完成 器件的编程工作,这种工作方式称为“离线”编程方式。 离线工作方式的缺点 :使用不方便 在系统——把原属于编程器的写入/擦除控制电 路及高压脉冲发生电路集成于PLD器件中,这样编程 时就不需要编程器。这种工作方式称为“在系统”编程 方式。 中北大学电子信息工程系 数 字 电 子 技 术 第六章 大规模集成电路(LSI integrated circuit) 6.3.12 可编程逻辑器件的开发技术简介 开发系统 : 硬件 软件 PC机 编程器 编程电缆 专用开发软件 常用的开发软件 : Altera公司:MAX+plusII Quartus公司:Foundation Xinlinx公司:Alliance Lattice公司:ispEXPERT 重点介绍: MAX+plusII
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