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[硬件] 逻辑2——PLD/FPGA 结构与原理初步(一)

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发表于 2019-9-27 15:08 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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x
一.基于乘积项(Product-Term)的PLD结构

) ?% Q# i: A( l% f/ A% {
# l) p. M6 R6 [0 _& P- [& p
" c% g2 b+ u6 R7 S7 {; L: u2 I
采用这种结构的PLD芯片有:Altera的MAX7000,MAX3000系列(EEPROM工艺),Xilinx的XC9500系列(Flash工艺)和Lattice,Cypress的大部分产品(EEPROM工艺)
# X+ X" F$ d$ ?
我们先看一下这种PLD的总体结构(以MAX7000为例,其他型号的结构与此都非常相似):

7 G/ N+ l! ?" D1 r- N; k; i& g6 n& g* Y7 W6 ?) ]9 V' D- D0 S
- E7 h$ q, }, Q4 }; O

7 h. G" [* Z- S) k; k, [: m
% ^. x) D  [. m# y, ]0 V- L+ \; }) S8 O8 w; v9 W
) Y) _* o/ D, j) t

: p+ Q2 j( s% r) L3 ?, N: @
图1 基于乘积项的PLD内部结构
! a: |7 J, [- v9 g
这种PLD可分为三块结构:宏单元(Marocell),可编程连线(PIA)和I/O控制块。         宏单元是PLD的基本结构,由它来实现基本的逻辑功能。图1中兰色部分是多个宏单元的集合(因为宏单元较多,没有一一画出)。可编程连线负责信号传递,连接所有的宏单元。I/O控制块负责输入输出的电气特性控制,比如可以设定集电极开路输出,摆率控制,三态输出等。         图1 左上的INPUT/GCLK1,INPUT/GCLRn,INPUT/OE1,INPUT/OE2         是全局时钟,清零和输出使能信号,这几个信号有专用连线与PLD中每个宏单元相连,信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。
+ D/ @% h3 a5 ?- o
宏单元的具体结构见下图:
. h7 ^0 K* p- J" `- q- N# l$ l- S: G
9 a: G% t6 c" P# @2 r# V
图2 宏单元结构

/ I1 m9 F3 `5 u: N1 F( u0 q$ I* r% c
左侧是乘积项阵列,实际就是一个与或阵列,每一个交叉点都是一个可编程熔丝,如果导通就是实现“与”逻辑。后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。两者一起完成组合逻辑。图右侧是一个可编程D触发器,它的时钟,清零输入都可以编程选择,可以使用专用的全局清零和全局时钟,也可以使用内部逻辑(乘积项阵列)产生的时钟和清零。如果不需要触发器,也可以将此触发器旁路,信号直接输给PIA或输出到I/O脚。

: R6 ?9 ^& e& j  A4 @- Z/ n: j

# d* O" T. \6 P5 o2 {
, p) c( e( x5 |0 G# J" Z' Z
6 Z! E0 O* p. y. q
: V9 ~! |1 k) h9 ]7 Y
二.乘积项结构PLD的逻辑实现原理
, B* p9 G0 {* t8 K7 |% [8 v2 o

* L  W1 t- y+ P5 _+ J
& U' P! @8 c; X1 J
下面我们以一个简单的电路为例,具体说明PLD是如何利用以上结构实现逻辑的,电路如下图:
( T8 c( i  W' u& H  e4 {, T
% v2 H$ _$ p+ P% s$ A
图3

- Q% r& P' Q* I3 T! s# m: d' u
假设组合逻辑的输出(AND3的输出)为f,则f=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D +         B*C*!D ( 我们以!D表示D的“非”)

' l9 e. I3 k, `) w+ e
PLD将以下面的方式来实现组合逻辑f:
1 X$ y& k& Q2 E1 h* ?3 n

9 y3 B3 T, @3 }, `- o4 n: J
图4

. B6 [( h5 u% I, H3 K
A,B,C,D由PLD芯片的管脚输入后进入可编程连线阵列(PIA),在内部会产生A,A反,B,B反,C,C反,D,D反8个输出。图中每一个叉表示相连(可编程熔丝导通),所以得到:f=         f1 + f2 = (A*C*!D) + (B*C*!D) 。这样组合逻辑就实现了。         图3电路中D触发器的实现比较简单,直接利用宏单元中的可编程D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的全局时钟专用通道,直接连接到可编程触发器的时钟端。可编程触发器的输出与I/O脚相连,把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3所示电路的功能。(以上这些步骤都是由软件自动完成的,不需要人为干预)
7 [4 D3 _/ \% {" X
图3的电路是一个很简单的例子,只需要一个宏单元就可以完成。但对于一个复杂的电路,一个宏单元是不能实现的,这时就需要通过并联扩展项和共享扩展项将多个宏单元相连,宏单元的输出也可以连接到可编程连线阵列,再做为另一个宏单元的输入。这样PLD就可以实现更复杂逻辑。

" X* C7 v, q2 V9 c
这种基于乘积项的PLD基本都是由EEPROM和Flash工艺制造的,一上电就可以工作,无需其他芯片配合。
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