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第二章可编程逻辑器件基础PLD基本原理与基本结构PLD器件的分类PLD中的编程元件PROM的结构和特点PLA的结构和特点PAL的结构和特点GAL的结构和特点PLD器件的编程方法与应用作数字电路知识要点回顾数字电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。构成组合逻辑电路的基本电路元件是“与门”电路、“或门”电路和“非门”电路。任何组合逻辑电路都可表示为其所有输入信号的昀小项的和或者昀大项的积的形式。时序逻辑电路则是在组合逻辑电路的基础上，加上存储与反馈电路而得到。时序逻辑电路使用触发器作为存储元件。触发器记忆电路的输入是部分组合电路的输出，触发器记忆电路的输出，反馈到组合电路输入。由于触发器也是用门电路实现的，所以门电路(昀基本的是与门、或门、非门)是构成数字电路的基本部件。组合逻辑电路的基本构成框X1、X2、-----、Xn是输入信号（也可称为输入变量），Z1、Z2、-----、Zm是输出信号，即输入信号的函数。其中：Z1=f1(X1、X2、···、Xn)Z2=f2(X1、X2、···、Xn)---Zm=fm(X1、X2、···、Xn)∑=imF组合逻辑电路的基本构成框图时序逻辑电路的基本构成框图图中：X1~Xn是时序电路的输入信号，Z1~Zm是时序电路的输出信号，Y1~Yr为内部输出（即存储电路的输入驱动信号）y1~ys为存储电路的状态输出（即电路的内部输入信号）数字电路的基本组成通用型数字逻辑电路设计：1、设计一个有n个输入端的与门阵列，该与门阵列可由用户按要求编程控制，以产生需要的输出乘积项（昀小项）。2、设计一个昀多有2n个输入端的或门阵列，该或门阵列可按用户要求对与门阵列输出的乘积项进行逻辑加，以产生满足用户需要的组合逻辑函数输出。3、对或门阵列的输出信号按用户要求进行存储，并将存储信号反馈连接至与门阵列，以作为其内部输入信号。mimmmFi+⋅⋅⋅++==∑21数字电路的基本组成∑=imF与、或阵列举例I2I1或阵列（可编程）I0与阵列（固定）O2O1O0I2I1或阵列（固定）I0与阵列（可编程）O2O1O0PROMPAL锁存器输出结构举例锁存器输出能反馈到与阵输入由于这种通用型可编程逻辑器件主要是利用“与”阵列和“或”阵列来实现数字逻辑功能，故称这种可编程逻辑器件为阵列（ARRAY）型PLD。阵列型简单PLD器件可分成4大类型：PLD中逻辑符号与电路的简化表示方法与门乘积项黑点“●”－－固定连通星花“*”－－可编程无任何标记－－固定断开F1F2F3A/AB/B01=⋅⋅⋅=BBAAF012==FF13=FF1,F2称为与门的缺省状态，作为或门的输入不影响其输出。F3称为与门的悬浮状态，作为或门的输入将使其值为1。PLD中与门、或门的逻辑符号表示和连接表示方式PLD器件的分类－－按集成度分低密度（SPLD）¾PROM,EPROM,E2PROM,PAL,PLA,GAL；－－只能完成较小规模的逻辑电路高密度（CPLD）¾CPLD,FPGA；－－已经有超过1000万门的FPGA器件；－－可用于设计大规模的数字系统集成度高，甚至可以做到SOC（SystemOnaChip）。PLD器件的分类－－按结构特点分基于与或阵列结构的器件－－阵列型¾PROM，E2PROM，PAL，GAL，CPLDCPLD的代表芯片如：Altera的MAX系列芯片基于标准门阵列（查找表）结构的器件－－单元型¾FPGAFPGA的代表芯片如：Altera的FLEX系列芯片XILINX的SPARTAN/4000/5200系列芯片XILINX的XC3000/VIRTEX系列芯片PLD器件的分类－－按编程次数分多次可编程¾用E2PROM、flashmemory或SRAM作为编程单元，可反复编程使用，实现系统功能的动态重构；一次可编程¾熔丝或反熔丝编程器件作为编程单元，只能一次编程(OTP器件)，在设计初期阶段不灵活。¾体积小，集成度高，速度高，易加密，抗干扰，耐高温。OTP－OneTimeProgrammingPLD器件的分类－－按编程和配置特性分非易失性器件¾用EEPROM或flashmemory进行编程，被大多数CPLD器件所采用。¾不用每次上电重新下载，但相对速度慢，功耗较大。易失性器件¾用SRAM进行编程，被大多数公司的FPGA器件所采用。¾每次上电需重新下载，实际应用时需外挂EEPROM用于保存配置数据。现代PLD使用的内部编程元件主要有如下三种类型：(1)一次性编程的熔丝(Fuse)或反熔丝(Antifuse)开关;(2)基于浮栅技术的存储器。包括紫外线电擦除和电擦除的EPROM、E2PROM与FlashMemory(闪速存储器，简称为闪存)；(3)允许无限次编程使用的静态存储器SRAM。PLD中的编程元件可编程逻辑器件要实现编程应用,其编程信息必须存储在芯片内部的编程元件中。或者说PLD（包括全部SPLD、CPLD、FPGA）必须使用某些特定的电子开关或能够存储逻辑配置数据的存储器来作为它的编程元件。PLD中的编程元件（续）熔丝(Fuse)或反熔丝(Antifuse)开关为一次性编程使用的非易失性元件，编程后即使系统断电，它们中存储的编程信息不会丢失。但它们只能写一次，故称之为OTP编程元件。基于浮栅技术的E2PROM和快闪存储器也是非易失性的编程元件，但它们允许多次反复编程写入，并可为器件设置保密位，以防止对PLD的非法复制。静态存储器SRAM属于易失性的编程元件，掉电后它存储的配置数据将立即消失，但它能在工作过程中快速编程。浮栅型编程元件和SRAM都可以多次、反复进行编程应用。尤其是SRAM，其编程应用的次数几乎无限。熔丝开关元件的结构与编程原理编程时，若需要在某处存放信息“0”，则只要按地址提供一定的脉冲电流，将该处熔丝烧断即可。未熔断熔丝的地方则表示存放了信息“1”。昀后留在器件内的熔丝模式决定了相应的器件逻辑功能。熔丝编程的特性：－－编程速度较高；－－只能一次性编程；－－编程功耗较大；－－熔丝开关占用较大的芯片面积，影响到PLD器件集成度的提高。－－较难测试熔丝开关的可靠性。采用熔丝编程工艺的PLD有PROM、PAL、CPLD及FPGA的一部分产品。通过击穿介质来达到连通线路的反熔丝开关反熔丝开关的结构在未编程时，夹在两层导体之间的PLICE（可编程低阻抗元素）介质在未编程时，显现很高的阻抗(约100MΩ)，开关处于反熔丝开路状态；在编程时，在介质上、下的扩散层加上较高的电压，介质将被击穿，从而把两旁的导电材料连通(连通电阻值约为100～600Ω)。反熔丝就会由高阻抗变为低阻抗，从而实现两个极间的连通。介质的击穿是不可恢复的，故编程电压撤除后开关也一直处于导通状态。故PLICE反熔丝是非易失性的OTP可编程元件。浮栅存储元件的结构与工作原理用浮栅技术生产的编程元件包括：1、紫外线擦除、电编程的EPROM；2、电擦除、电编程的E2PROM3、快闪存储器(FlashMemory,即闪存)。这三种存储器都是用浮栅存储电荷的方法来保存编程数据，断电后存储的数据不会丢失。浮栅雪崩注入型PMOS晶体管(FAMOS管)浮栅管相当于一个电子开关，当浮栅中没有注入电子时，浮栅管呈截止状态,呈现“1”状态；当浮栅中注入电子后，浮栅管导通,即呈现“0”状态。为提高EPROM的工作速度、降低编程工作电压，已大多改用叠栅注入MOS管(SIMOS管)来制作EPROM的存储单元。漏/源间加上脉冲电压后在沟道中发生雪崩击穿，使浮栅Gf带上负电荷，这就相当于存储了“0”；当浮栅Gf无电子积累时，该管相当于存储了“1”。浮栅编程器件能够多次编程应用。但需要专门的紫外光来擦除存储的数据。↑早期采用浮栅技术的存储元件需要使用两种电压，即5V逻辑电压和12V～21V的编程电压。现在已改用单一电源供电，即由器件内部的升压电路提供编程和擦除电压。大多数单电源可编程逻辑器为5V或3.3V的产品。电擦除、电编程的E2PROM用E2PROM作为编程器件采用的是另一种浮栅编程技术，它的编程元件称为浮栅隧道氧化层MOS管(简称Flotox管)。Flotox管与SIMOS管相似，有两个栅极。有引出线的栅极为控制栅(也称擦写栅)；无引出线的栅极是浮栅。所不同的是在浮栅与漏极区之间有一小块面积极薄、厚度为10～15um的二氧化硅SiO2绝缘层区域，称为隧道区。引出线擦除时，将控制栅接地，源极浮起，在漏极上加5－20V高压脉冲，浮栅G2上的电子通过隧道返回衬底，从而擦除了浮栅内的电子电荷。↑编程↑浮起擦除编程时，源、漏极接地，控制栅G1加5－20V脉冲电压，衬底中电子通过隧道效应注入到浮栅G2中，脉冲电压撤除后浮栅内的电子可以长期保留。E2PROM的编程和擦除都可以通过在漏极和控制栅上加一定的幅度和极性的电脉冲来实现。目前浮栅编程元件的有效改写次数可达数百～数万次，数据可保存5～l0年。比一般基于雪崩效应的EPROM的有效改写次数高得多。由于擦除方便、工作速度快、有效改写次数多，因而E2PROM很受用户欢迎。闪存的特性与编程闪存(FlashMemory)是在对E2PROM制造技术进行改进后产生的一种新型电改写、电擦除的存储器,又称为快擦快写存储器（即Flash的含义）。它可以在ms级时间内擦除全部或一段存储的信息，而不像E2PROM那样一次只能擦除一个字节。闪存的单元结构与工作特性与EPROM中的叠栅注入MOS管(SIMOS管)相似，但有如下3点不同：闪存的特性与编程（续）1.闪存的绝缘氧化物层一般都不超过约100埃。较窄的绝缘氧化物使编程写入电压及擦写电压可以做到较低(3～5V)。2、闪存浮栅中的电子进行分级双扩散，扩散速度远远大于叠栅型存储单元。所以闪存的擦除速度和写入速度远高于基于普通叠栅存储单元的E2PROM。成为非易失性高速存储芯片的应用主流和发展方向。3、闪存芯片内所有叠栅MOS管的源极是连在一起的，所以闪存擦除时可将全部存储单元同时予以擦除。闪存的编程和擦除分别采用两种不同的机理。－－在编程(写入)方法上，与EPROM相似，即利用雪崩注入的方法使浮栅充电；－－在擦除方法上与E2PROM相似，即利用隧道效应使浮栅上的电子通过隧道返回衬底。闪存的擦写寿命可达l0万次以上。闪存的特性与编程（续）↑编程：漏/源间加脉冲电压擦除：紫外光浮栅雪崩注入型PMOS晶体管EPROMEEPROM浮栅隧道氧化层MOS管用编程时，源、漏极接地，控制栅加脉冲电压。擦除时，将控制栅接地，源极浮起，在漏极上加高压脉冲。↑↑浮起编程擦除Flashmemory编程↑↑浮起擦除比E2PROM更薄浮栅隧道氧化层MOS管SRAM编程单元的结构FPGA器件主要使用静态存储器SRAM作为编程单元，这种SRAM被称为配置存储器。Xilinx公司生产的FPGA其SRAM编程单元的基本结构如下图所示。FPGA中SRAM编程单元的基本结构这种SRAM编程单元的基本结构由两个具有下拉n沟道晶体管和上拉p沟道晶体管互补的反相器和一个控制读写的MOS开关V组成。配置数据写入时，MOS开关管V导通，写入配置数据(0或1)。在工作状态下，MOS开关管V处于截止状态，配置单元的数据从反相器的Q端读出。具有高密度、高速度和高可靠性。SRAM编程单元的结构PROM的结构I2I1或阵列（可编程）I0与阵列（固定）O2O1O0PROM的与阵列为全译码阵列，器件的规模将随着输入信号数量n的增加成2n指数级增长。因此PROM一般只用于数据存储器，不适于实现逻辑函数。PROM的或阵列为可编程的阵列，用来选取需要的昀小项。EPROM和E2PROM的结构与PROM相同，只是这两者可以进行多次编程使用。021021012102102102210210210OIIIIIIOIIIIIIIIIOIIIIIIIII=+=++=++用PROM实现组合逻辑电路功能固定连接点（与）编程连接点（或）实现的函数为：BABAF⋅+⋅=1BABAF⋅+⋅=2BAF⋅=3从以上例子中可看出