数字电路-第八章PLD
pld名词解释
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PLD，全称为可编程序逻辑器件(Programmable Logic Device)，
是一种可以根据用户需求进行逻辑功能定制的集成电路。
它是一种非
常常见的数字电路设计器件，常用于数字电路设计中。
PLD主要有两种：可编程逻辑阵列（PAL）和可编程数组逻辑器件（PLA）。
可编程逻辑阵列（PAL）是一种基于石英门阵列的PLD。
它采用布尔逻辑和存储单元来构建逻辑门，并可以通过编程关闭或打开某些逻
辑门，以达到不同的逻辑功能。
PAL在设计时需要根据应用需求进行定制，可以达到相对较高的性能和速度。
可编程数组逻辑器件（PLA）也是一种常用的PLD。
它由多个可编程门阵列（PGA）和输出逻辑阵列（OLA）组成。
PGA主要用于组合逻辑功能的实现，而OLA用于时序逻辑的实现。
PLA的优点在于可以实现复杂的逻辑功能，并可以在运行时修改逻辑功能，同时具有较高的灵活
性和易设计性。
PLD的优点在于可以提高数字电路的可重复用性、可维护性和可
扩展性。
它们比较便宜，同时也比较简单，可以轻松地在现有的电路
板上添加或调整逻辑功能。
由于PLD的配置和设计可以在软件中完成，可以方便地集成到大型系统和嵌入式系统中。
PLD已经成为了设计数字逻辑的有力工具，广泛应用于数字通信、计算机硬件、工业自动化、
汽车电子等领域。
第8章 PLD设计
程，FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程。
第8章 PLD设计
《 电 子 线 路 辅 助 设 计 Protel 99 》 SE
二、PLD 99的特点
PLD 99包含三个专为PLD设计工作定制
的EDA／Client服务器： 文本专家——具有语法意识的文本编辑 器。 PLD——用来编译和仿真设计结果。
8.1.1 PLD器件概述 数字集成电路从逻辑功能上可分为通用型和专用 型两类，我们所熟悉的TTL系列、CMOS系列都属于 通用型数字集成电路，通用型数字集成电路逻辑功能 简单，输入输出逻辑关系固定不变，从理论上讲通用 型数字集成电路也可以组成任意复杂的数字电路系统。 但是将所设计的数字电路系统做成大规模集成电路， 则可进一步缩小电路的体积、重量和功耗，而且会使 可靠性大为提高，这种为专门用途而设计的集成电路 称为专用集成电路，即所谓ASIC（Application Specific Integrated Circuit）。
《 电 子 线 路 辅 助 设 计 Protel 99 》 SE
一、CUPL语言概述
1. 变量
变量是由一串阿拉伯字符组成的。它被用来标示逻辑器件的 管脚，定义内部节点、常量、输入输出信号名和一些临时的信号名 等等。 定义一变量时，需依照如下的一些规则： 1）变量名中可以有数字、字符和下划线等，但至少有一个字符。 2）变量名区分大小写。
Wave——用来观察仿真波形。
第8章 PLD设计
三、PLD的一般设计过程
1）明确设计目的 了解所需要进行的设计，牢记
《 电 子 线 路 辅 助 设 计 Protel 99 》 SE
这次设计可用的布尔表达式、状态机和真值表。明确 哪种类型最适合这次设计。 2）创建源文件 一是使用PLD库元件来绘制PLD
pld原理
pld原理PLD原理PLD是可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）的简称，是一种集成电路器件，常用于数字逻辑电路设计和实现。
PLD的原理主要包括可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）和可编程输入与门阵列（Programmable Input AND Gate Array，PIGA）。
PLD的基本原理是利用可编程的逻辑门和触发器来实现逻辑功能。
它由输入引脚、输出引脚、内部逻辑单元和编程单元组成。
内部逻辑单元由与门、或门、非门和触发器等组成，通过编程单元来配置逻辑单元之间的连接关系，从而实现特定的逻辑功能。
PLD的编程过程是将逻辑功能和连接关系通过编程器烧录到PLD芯片中。
编程器通常连接到计算机上，通过软件将逻辑功能和连接关系转换为PLD芯片可识别的二进制码或者其他编程语言格式，再将编程数据写入到PLD芯片中。
PLD具有灵活性和可重构性的特点，能够根据设计需求自由改变逻辑功能和连接关系。
相比于固定功能的逻辑芯片，PLD能够在同一芯片上实现多种不同的逻辑功能，节省了成本和空间。
PLD的应用非常广泛。
它可以用于数字逻辑电路的设计和实现，如逻辑门电路、时序电路、状态机等。
同时，PLD也可以用于模拟电路的设计，如模拟滤波器、模拟运算放大器等。
此外，PLD还可以应用于通信系统、控制系统、图像处理系统等领域。
PLD的优势不仅在于其灵活性和可重构性，还体现在其高性能和低功耗上。
PLD芯片采用了先进的半导体制造工艺，具有较高的集成度和运算速度。
同时，PLD的功耗较低，能够满足节能环保的要求。
然而，PLD也存在一些局限性。
首先，PLD的资源有限，无法实现过于复杂的逻辑功能。
其次，PLD的编程过程相对复杂，需要掌握特定的编程技术和工具。
此外，PLD的可编程功能也导致其在一定程度上存在安全风险，可能受到恶意篡改或攻击。
总结起来，PLD是一种集成电路器件，通过可编程的逻辑门和触发器来实现逻辑功能。
数字电子技术第8章可编程逻辑器件
前面介绍的FPLA的电路结构不含触发器，因此这 种FPLA只能用于设计组合逻辑电路，故称为组合型 FPLA。
为便于设计时序逻辑电路，在有些FPLA芯片内部 增加了若干触发器组成的寄存器。这种内部含有寄 存器的FPLA称为时序逻辑型FPLA，也称做可编程 逻辑时序器PLS（Programmable Logic Sequeneer）。
Q0n+1=Q3 Q2 Q1+Q3 Q2 Q1+Q3 Q2 Q1+ Q3 Q2 Q1
从上式即可写出每个触发器的驱动方程，即D端 的逻辑函数式。同时，考虑到要求具有置零功能， 故应在驱动方程中加入一项R。当置零输入信号 R=1时，在时钟信号到达后所有触发器置1，反相后 的输出得到Y3 Y2 Y1 Y0=0000。于是得到驱动方程为
图8.3.9 产生16种算术、逻辑运算的编程情况
(8-22)
十进 8.3.3PAL的应用举例
制数
二 进制 数
Y0 Y1 Y2
例8.3.1 用PAL器件设计一个数值判别电路.要求判断4位 D C B A 二进制数DCBA的大小属于0~5、6~10、11~15三个区间的 0 0 0 0 0 1 0 0 哪一个之内。 1 0 0 0 1 1 0 0
FPLA由可编程的与逻辑阵列和可编程的或逻 辑阵列以及输出缓冲器组成，如图所示。
(8-8)
PLA结构 逻辑功能可 变化的硬件 结构。
可编程
将FPLA和ROM 比较可发现，它们 的电路结构极为相 似，都是由一个与 逻辑阵列、一个或 逻辑阵列和输出缓 冲器组成。两者所 不同的是，FPLA的 与阵列可编程，而 ROM的与阵列（译 码器）是固定的。
第八章 可编程逻辑器件（PLD）
数字电子技术项目八掌握PLD开发流程与开发工具
基础知识：
MAX+PlusⅡ的 MAX+PlusⅡ的 硬件描述语言 原理图输入设计 波形输入设计方法 （HDL）
基础知识：
MAX+PlusⅡ的 MAX+PlusⅡ的 硬件描述语言 原理图输入设计 波形输入设计方法 （HDL）
（5）时序仿真
图8-13 打开波形编辑器并从SNF文件中输入信号 节点
这种方法与传统的计算机软件语言的输入 编辑基本一致。
基础知识：
可编程逻辑器件 的类型
PLD的开发流程
MAX+PlusⅡ 概述
HDL采用文本方式描述设计，并在EDA工具软 件的文本编辑器中输入，其逻辑描述能力强， 但不适合描述接口和连接关系。
基础知识：
可编程逻辑器件 的类型
PLD的开发流程
MAX+PlusⅡ 概述
2、设计实现 设计实现主要由EDA开发工具依据设计输
入文件自动生成用于器件编程、波形仿真及延 时分析等所需的数据文件。此过程对开发系统 来讲是核心部分，但对用户来说，几乎是自动 化的，设计者无需做过多工作，只需根据需要
基础知识：
可编程逻辑器件 的类型
PLD的开发流程
MAX+PlusⅡ 概述
通过设置“设计实现策略”等参数来控制设计 实现过程，从而使设计更优化。 （1）综合 （2）适配
基础知识：
MAX+PlusⅡ的 MAX+PlusⅡ的 硬件描述语言 原理图输入设计 波形输入设计方法 （HDL）
MAX+plusⅡ中提供了直观的、易于理解 的波形输入(Waveform Design)方式，可以设 计组合电路、简单的时序电路和状态机。同 MAX+plusⅡ中其他的输入方式一样，波形设 计输入可以生成原理图中的元件Symbol，从 而被更高一级的设计所调用。
PLD的原理与应用
PLD的原理与应用PLD是可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）的缩写，是一种集成电路，被用来实现数字电路的设计和实现。
它具有灵活性高、逻辑功能丰富、设计周期短等特点。
PLD的工作原理是通过可编程存储单元来实现逻辑功能的编程，并通过内部的开关电路连接存储单元以及其他逻辑电路来实现所需的功能。
PLD一般由两部分组成：可编程逻辑阵列（PAL）和可编程输入与输出（IOB）。
可编程逻辑阵列是PLD的核心部分，它由一系列的可编程逻辑门和可编程的存储单元组成。
这些逻辑门可以是与门、或门、非门等，通过编程可以实现各种逻辑函数，满足不同的设计需求。
可编程存储单元被用来存储逻辑函数的真值表或者Karnaugh图。
在运行时，PLD将输入信号与存储单元中的内容进行逻辑计算，然后将计算结果输出。
通过编程可编程逻辑阵列，可以实现不同的逻辑功能。
可编程输入与输出为PLD提供了与外部电路进行通信的接口。
它由一些可编程IO单元组成，可以用来输出计算结果或者接受外部输入。
每个IO单元都有一个输出和一个输入。
在编程过程中，我们可以将需要输出的信号连接到特定的IO单元上，并将来自外部电路的输入信号连接到正确的IO单元上，以实现与外部电路的联接。
PLD的应用非常广泛。
它被广泛应用于数字电路的设计和实现，如数字系统控制、计算机内部的逻辑电路、通信电路、显示电路等。
PLD可以用来实现各种数字逻辑功能，包括逻辑运算、计数器、状态机、数据处理等。
它还可以用于实现程序控制的功能，如数据通路、状态转移等。
此外，PLD还可以用于升级和修改数字电路设计，节省了重新设计电路的时间和成本。
PLD还可以用于原型验证，快速实现一个设计的验证模型，以便进行测试和修改。
总之，PLD是一种灵活、功能丰富的可编程逻辑器件，它通过可编程存储单元和开关电路实现逻辑功能的编程和实现。
它的应用范围广泛，包括数字系统控制、计算机内部的逻辑电路、通信电路、显示电路等。
《数字电子技术基础》第五版教学课件清华大学阎石王红.pdf
一、基本结构
1. IOB 2. CLB 3. 互连资源 4. SRAM
1. IOB
《数字电子技术基础》第五版
可以设置为输入/输出； 输入时可设置为：同步（经触发器）
异步（不经触发器）
2. CLB
《数字电子技术基础》第五版
本身包含了组合电路和触发器，可构成小的时序电路 将许多CLB组合起来，可形成大系统
8.4.3 GAL的输入和输出特性
GAL是一种较为理想的高输入阻抗器件
GAL输出缓冲级
《数字电子技术基础》第五版
《数字电子技术基础》第五版
8.5 可擦除的可编程逻辑阵列EPLD
一、结构特点 相当于 “不-或”阵列（PAL） + OLMC
二、采用EPROM工艺 集成度提高
《数字电子技术基础》第五版
《数字电子技术基础》第五版
isp器件的编程接口（Lattice）
开发 环境
• 使用ispPLD的优点：
• *丌再需要与用编程器 • *为硬件的软件化提供可能 • *为实现硬件的远程构建提供可能
3. “装载”结束后，进入编程设定的 工作状态
！！每次停电后，SRAM中数据消失 下次工作仍需重新装载
《数字电子技术基础》第五版
8.8 在系统可编程通用数字开关（ispGDS）
ispGDS22的 结构框图
《数字电子技术基础》第五版
8.9 PLD的编程
以上各种PLD均需离线进行编程操作，使用开发系统
3. 互连资源
《数字电子技术基础》第五版
《数字电子技术基础》第五版
4. SRAM 分布式 每一位触发器控制一个编程点
二、编程数据的装载
《数字电子技术基础》第五版
可编程逻辑器件(PLD)简介
③ 有上电复位功能和加密功能，可以防止非法 复制。
2021/4/2
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2．通用可编程逻辑器件（GAL）
20世纪80年代初，美国Lattice半导体公司研制。 GAL的结构特点：输出端有一个组态可编程的输 出逻辑宏单元OLMC，通过编程可以将GAL设置成不 同的输出方式。这样，具有相同输入单元的GAL可以 实现PAL器件所有的输出电路工作模式，故而称之为 通用可编程逻辑器件。
2021/4/2
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作业题
8-3
2021/4/2
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当三态门被选通时，I/O引脚作输出用。
2021/4/2
13
③ 寄存器输出结构。输出端有一个D触发器， 在使能端的作用下，触发器的输出信号经三态门缓 冲输出。能记忆原来的状态，从而实现时序逻辑功 能。
2021/4/2
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④ 异或—寄存器型输出结构。 输出部分有两个或门，它们的输出经异或门后 再经D触发器和三态缓冲器输出，这种结构便于对 与或逻辑阵列输出的函数求反，还可以实现对寄存 器状态进行维持操作，适用于实现计数器及状态。 （A⊕0=A，A⊕1=A ）
8
（5）常采用可编程元件(存储单元)的类型：
① 一次性编程的熔丝或反熔丝元件；
② 紫外线擦除、电可编程的
EPROM(UVEPROM)存储单元，即UVCMOS工艺
结构；
③ 电擦除、电可编程存储单元，一类是
E2PROM即E2CMOS工艺结构，另一类是快闪
(Flash)存储单元；
④ 基于静态存储器(SRAM)的编程元件。
2021/4/2
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8.2.4 现场可编程门阵列（FPGA）
是20世纪80年代中期出现的高密度PLD。
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第八章 可编程逻辑器件PLD
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。
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） 用户定制 集成电路
系统放在一个芯片内
3 3 3 3
第八章 可编程逻辑器件PLD 厂商直接做出。 简 介 如：表芯
全定制（Full Custom Design IC） 厂商做出半成品 ASIC 半定制（Semi-Custom Design IC）
20 2020 20
例: 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，得其对应的真值表如下。
NO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 A1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 A0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 B1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 B0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 G3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 G2 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 G1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 G0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
编程连接 固定连接 ABCD F1=A•B•C
7 7 7 7
第八章 可编程逻辑器件PLD 第一节 可编程逻辑器件PLD概述
二、PLD的逻辑符号表示方法
2. 与门和或门的表示方法
×
×
F2
ABCD F2=B+C+D
8 8 8 8
第八章 可编程逻辑器件PLD 第一节 可编程逻辑器件PLD概述
3. 三种特殊表示方法
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。
输入信号
输入 电路
互补
与门 或门 乘积项 和项 阵列 阵列
4.带异或门的寄存器型输出结构
24 2424 24
第八章 可编程逻辑器件PLD
第三节 可编程阵列逻辑PAL
输入信号 1.专用输出基本门阵列结构
II
四个乘积项通过 或非门低电平输出。 四个乘积项
一个输入 或非门低电平有效PAL器件（L型） 或门高电平有效PAL器件（H型） 互补器件互补输出PAL器件（C型）
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
6 6 6 6
第八章 可编程逻辑器件PLD 第一节 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 A 的画法与传统的画法有所不同。 2. 与门和或门的表示方法
×
A A F1
第八章 可编程逻辑器件PLD
第四节 通用逻辑阵列GAL
2. GAL输出逻辑宏单元OLMC的组成
或门：输入端共八个乘积项，一个乘积项来自于选择器PTMUX
（2） 根据表列出逻辑函数 并简化，得最简输出表达式
G3 B3 G 2 B 3 B 2 B 3B 2 G 1 B 2 B 1 B 2B 1 G 0 B 1 B 0 B 1B 0
（3）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，
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 任何组合函数都可表示为与—或表达式：
F A B BCD
PLD
GA SCA
用两级与—或电路实现
5 5 5 5
第八章 可编程逻辑器件PLD 第一节 可编程逻辑器件PLD概述
11 1111 11
第八章 可编程逻辑器件PLD 第一节 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
输 出 全 部 最 小 项
A A
B B
C C
连接点编 程时，需画 一个叉。
1 1
1
全译码
12 1212 12
第八章 可编程逻辑器件PLD 第一节 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。
×
×
13 1313 13
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。
4 4 4 4
第八章 可编程逻辑器件PLD 由大量的二级与—或 单元电路组成 第一节 可编程逻辑器件PLD概述
27 2727 27
第八章 可编程逻辑器件PLD
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 4. 带异或门的寄存器型输出结构
第三节 可编程阵列逻辑PAL 把乘积项分割成两 增加了一个异或门
个和项
28 2828 28
第八章 可编程逻辑器件PLD
第四节 通用逻辑阵列GAL 一、通用阵列逻辑GAL器件
PAL结构
GAL结构
第八章 可编程逻辑器件PLD
输出端数量 输入端数量 （一）GAL器件结构和特点 1. GAL16V8的基本结构
第四节 通用逻辑阵列GAL
16个输入引脚：2~9固定做输入引脚 1、11、12、13、14、17、18、19可设置成输入引脚 一个共用时钟CLK 8个输出缓冲器 8个输出反馈缓冲器 输出引脚： 12、13、14、15、16、17、18、19 8个输入缓冲器8个OLMC 阵列规模：64（与）32（输入）
16 1616 16
第八章 可编程逻辑器件PLD 第一节 可编程逻辑器件PLD概述
四、 PLD的性能特点
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；
G3 B3 G 2 B 3 B 2 B 3 B 2 7项 G 1 B 2 B 1 B 2B 1 G 0 B 1 B 0 B 1B 0
4个输出
用了七个乘积项，比PROM全译码少用9个， 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。
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。
9 9 9 9
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
编程连接点 （或）
AB
AB
AB
实现函数的表达式：
最小项表达式
实现的函数为：
×
O1
14 1414 14
第八章 可编程逻辑器件PLD
输 入
3种基本的PLD结构
PROM
B
A
与阵列固定
与 门 阵 列 或 门 阵 列
与 输入
PAL
B
A
与阵列可编程
或阵列可编程
输 入
门
或 门 阵 列
Y 输 出
Z
阵 列
PLA
与 门 阵 列
B
A
与阵列可编程
或阵列固定
或 门 阵 列
Y 输出
Z
或阵列可编程
Y 输 出 Z
3.设计周期缩短：由于可编程特性，用PLD设计一个系统所 需时间比传统方式大为缩短；
17 1717 17
第八章 可编程逻辑器件PLD 第一节 可编程逻辑器件PLD概述
四、 PLD的性能特点
4.系统处理速度提高：实现任何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； 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，如GAL或高密度可 编程逻辑器件本身具有加密功能。