PLD的原理与应用

PLD的发展简史及应用展望

【摘 要】在半导体技术发展的推动下，可编程逻辑器件迎来了前所未有的发展机遇且实现了较大的突破，具有良好的在线修改能力即随时修改设计而不必改动其硬件电路的特点，如今它已成为电子设计领域中最具发展前途的器件。本文介绍了可编程逻辑器件的发展简史及它在数字电路实验、通信系统和ASIC设计三个领域中的应用，最后展望了可编程逻辑器件的发展趋势。

【关键词】PLD;熔丝技术;CPLD;FPGA

1 可编程逻辑器件发展简史

最早的可编程逻辑器件（PLD）是1970年制成的可编程只读存储器（PROM），它由固定的与阵列和可编程的或阵列组成。PROM采用熔丝技术，只能写一次，不能擦除和重写。随着技术的发展，此后又出现了紫外线可擦除只读存储器UVEPROM和电可擦除只读存储器EEPROM。由于其价格便宜、速度低、易于编程，适合于存储函数和数据表格。

可编程逻辑阵列（PLA）器件于20世纪70年代中期出现，它是由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，但由于器件的价格比较贵，编程复杂，资源利用率低，因而没有得到广泛应用。 可编程阵列逻辑（PAL）器件是1977年美国MMI公司率先推出的，它采用熔丝编程方式，由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，双极性工艺制造，器件的工作速度很高。由于它的设计很灵活，输出结构种类很多，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。

通用阵列逻辑（GAL）器件是1985年Lattice公司最先发明的可电擦写、可重复编程、可设置加密位的PLD。GAL在PAL的基础上，采用了输出逻辑宏单元形式EECMOS工艺结构。在实际应用中，GAL器件对PAL器件仿真具有百分之百的兼容性，所以GAL几乎完全代替了PAL器件，并可以取代大部分标准SSI、MSI集成芯片，因而获得广泛应用。

可擦除可编程逻辑器件（EPLD）是20世纪80年代中期Altera公司推出的基于UVEPROM和CMOS技术的PLD，后来发展到采用EECMOS工艺制作的PLD，EPLD的基本逻辑单元是宏单元，宏单元是由可编程的与阵列、可编程寄存器和可编程I/O三部分组成的。从某种意义上讲，EPLD是改进的GAL，它在GAL基础上大量增加输出宏单元的数目，提供更大的与阵列，集成密度大幅提高，内部连线相对固定，延时小，有利于器件在高频下工作，但内部互连能力较弱。

教学要求：了解PLD器件的描述方法和分类，了解PLD器件的基本结构，掌握可编程逻辑器件的基本工作原理和基本应用方法

教学学时：4

教学重点： PLD器件的基本结构，基本工作原理

第十章 可编程逻辑器件

背景：以前学习了各种数字器件，如各种门电路、触发器、MSI计数器等，其逻辑功能固定不变。理论上用这些器件可以实现任何复杂的数字系统，但需要大量的芯片及芯片连接，且功耗大，体积大，可靠性差。而用PLD器件来设计一个数字系统，可以弥补上述缺陷。

PLD的出现改变了传统的数字设计方法，用户通过定义器件内部的逻辑和输入输出引脚，将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片设计中进行，把一个数字系统集成在一片PLD器件上。由于引脚设计的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度。可编程逻辑器件是实现数字系统设计的理想器件。

PLD器件开发软件可根据设计需要自动进行逻辑电路设计输入、编译、逻辑划分、优化和模拟，得到一个满足设计要求的PLD编程数据（熔丝图文件.JED），逻辑功能模拟通过后，需将PLD编程数据下载道编程器，编程器将编程数据写入PLD器件。使PLD器件具有设计所要求的逻辑功能。

10.1 PLD的基本结构

包含两个基本部分：

一是逻辑阵列，由与阵列、或阵列和反向器构成，可实现任何组合逻辑。

二是输出单元或宏单元。设计者可以自己组配其输出结构，直接输出就是组合逻辑，通过寄存器输出可以实现时序逻辑。

以“与/或”阵列为基础的包括四种基本类型：

PROM（可编程只读存储器）、PLA（可编程逻辑阵列）、PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用可编程阵列逻辑）。它们的区别在于哪个矩阵可编程和输出结构的形式。

PLD器件 “与”阵列 “或”阵列 输出

PROM 固定 可编

PLA 可编 可编

PAL 可编 固定 I/O可编

GAL 可编 固定 宏单元

10.2 PLD的表示方法（符号）

PLD结构与通常的TTL有很大的不同，表示方法也不同。

１引言　ＰＬＤ在步进电机控制中的应用　

Ｔｈｅ　ＰＬＤ　Ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｅｐ—Ｍｏｔｏｒ　

谷磊　陈国明　权景明　

ＣＡ／／ｅｉ　ＣＨＥＮ　Ｃａｍ．ｍｉｎｇ　ＱＵａｙ　Ｊｉｎｇ－ｒ，￣　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｉｒｃｌｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｅｒ　ｏｆ　ｓｔｅｐ－ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ＰＬＤ．ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｓｅ－　

ｑｕｅｎｃｅ　ｏｆｆｏｕｒ　ｐｈａｓｅ　ｓｔｅｐ－ｍｏｔｏｒｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｌ￣ｏｆＭａｘ＋ｐｌｕ￣ｉｎ０．０　ａｎｄＶＩ－ＩＤＬｌａｎｇｕａｇｅ，ＴｈｅｎＰＬＤｉｓ　ｐｒｏ－　

ｇｒａｍｍｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｇａｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ　ｉｍｐｕｌｓｅ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＰＬＤ　ＶＨＤＬ　Ｓｔｅｐ－ｍｏｔｏｒ　Ｃｉｒｃｌｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｏｅｒ　

步进电机广泛应用于各种自动控制系统中，如机器人、　

数控机床等。步进电机是否工作正常，取决于其控制系统。　步进电机控制系统具有脉冲产生、脉冲分配和功率放大三个　

环节。而脉冲分配环节是步进电机控制中非常重要的一个　

环节，由脉冲分配器完成。目前，脉冲分配器主要有分散器　件组成的环形脉冲分配器、软件环形脉冲分配器、专用集成　芯片环形脉冲分配器…。分散元器件组成的环形脉冲分配　

器体积大，存在相互干扰、可靠性差；软件环形分配器要占用　主机时间、降低了速度；专用集成芯片环形脉冲分配器集成　度高、可靠性好ｌ２』。本文介绍一种由通用ＰＬＤ器件构成的环　

形脉冲分配器。ＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ　ｌ￣ｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅ）是电子设计领　域中最具活力和发展前途的一项技术，随着计算机与微电子　

技术的发展，ＰＬＤ的发展非常迅速，熟练地利用电子设计自　动化（ＥＤＡ）软件进行ＰＬＤ器件开发已经成为当今电子工程　

PLD与PLC有什么区别 PLD（programmable logic device)

一、概述 PLD 可编程逻辑器件：PLD是做为一种通用集成电路生产的，他的逻辑功能按照用户

对器件编程来搞定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这

样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制

造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。

二、分类

目前和平和使用的PLD产品主要有：1、现场可编程逻辑阵列FPLA（field programmable logic array);2、可编程阵列逻辑PAL（programmable array logic);3、通用阵列逻辑

GAL（generic array logic);4、可擦除的可编程逻辑器件EPLD（erasable

programmable logic device);5、现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate

array)。其中EPLD和FPGA的集成度比较高。有时又把这两种器件称为高密度PLD。

三、发展历程

早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)

和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑

功能。

其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件，它能够完成各种数字逻

辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与

一或”表达式来描述，所以， PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段

的产品主要有PAL和GAL。PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或

门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现

工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是