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可编程逻辑器件PLD讲义1. 引言可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是现代电子领域中非常重要的元器件。
它们在数字电路设计和嵌入式系统开发中起着关键作用。
本讲义将介绍什么是PLD以及如何使用PLD进行电路设计。
2. PLD的概述PLD是一种可以被编程的数字电路，通过在内部存储器中存储逻辑表达式或程序，在运行时根据输入信号进行逻辑运算，并产生输出信号。
PLD可以根据设计者的需求被重新编程，因此具有很高的灵活性和可重用性。
3. PLD的分类PLD可以被分为三类：可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）、可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）和可编程门阵列（Programmable Gate Array，PGA）。
3.1 可编程逻辑阵列（PLA）PLA是一种最早出现的PLD，它由一个积体门阵列和一个可编程的输出逻辑阵列组成。
PLA的积体门阵列实现了各种逻辑门的功能，并且可以通过编程将不同的输入和输出信号连接在一起，实现特定的逻辑功能。
3.2 可编程阵列逻辑（PAL）PAL是一种采用与门矩阵和与非门矩阵的组合来实现逻辑功能的PLD。
PAL具有更高的可编程性，可以实现更复杂的逻辑功能。
3.3 可编程门阵列（PGA）PGA是一种采用了更多逻辑门和可编程连接器的PLD。
PGA具有最高的可编程性，可以实现非常复杂的逻辑功能。
它是目前最常用的PLD类型。
4. PLD的优势PLD相比传统的固定功能电路具有以下优势：•灵活性: PLD可以被重复编程，允许设计者在开发过程中进行修改和更新，从而提高了设计的灵活性。
•可重用性: PLD可以在不同的项目中被重复使用，减少了设计周期和成本。
•集成度高: PLD可以实现多个逻辑元件的功能，并且可以将它们集成在一个器件中，从而减小了电路板的面积和体积。
•速度快: PLD通过硬件逻辑电路实现逻辑运算，相比软件实现的方法具有更快的速度。
EDA技术与应用
前堂回顾
•Modelsim的命令行方式使用
•Verilog语法：
1.reg 类型（wire类型？）
2.运算
3.时延（`timescale，#，#(rise,fall,turn-off)）
4.语法：initial , always，assign
5.系统任务
（基本、常用任务）
$display, $monitor, $time, $finish, $stop
目前状态
•学习了基本的verilog语法（用primitives gate构建电路，少部分组合逻辑描述）•Modelsim仿真工具基本使用，仿真电路，确保设计的功能、时序正确
//实验情况？
设计最终需要转换到实际电路，怎么做？
PLD or ASIC
可编程逻辑器件PLD •Programmable Logic Device
•Design→Synthesis tool →PLD编程文件→下载到PLD设备中→Design在PLD中实现，在硬件中验证功能
•使用PLD，需要了解PLD原理，在工具帮助下完成
第3章PLD器件介绍
1.组合逻辑
2.PLD原理
3.商业PLD简介
//目的：了解PLD原理，理解随后的FPGA实验
1、组合逻辑
•组合电路与时序电路combinational ，sequential
//怎么区分组合电路与时序电路？
•组合电路输出仅依赖于输入，无记忆性•时序电路输出依赖于输入与当前状态，有记忆性（内部环回）
组合电路
•输入、输出、函数关系、时间特性•基本门都是组合电路
表达组合逻辑
•真值表
•最简式（布尔代数化简、卡诺图）•最小项和
电路表达
实际电路实现的考虑
•如何更省电路（可能并非最简式）•如何更快
•如何功耗更低
•……
如CMOS工艺中，更容易实现的门是NAND,NOR,NOT，而不是AND,OR
组合逻辑基本构建模块
•Multiplexers （MUX）
•如何实现的？可能有多种
MUX不同的实现方式
decoder
Decoder应用•地址译码
•灵活组合构成其他逻辑
组合逻辑小结
•组合逻辑是所有其他逻辑的基础！
•复杂电路都是由简单逻辑组合实现的！（电阻、电容、电感、晶体管）→基本门电路→（锁存器、触发器）→（寄存器、多路选择器、存储器）→……
2、PLD器件•从ROM开始：3输入4输出
AND-OR实现
实际ROM电路
•AND OR 在实际制造工艺中一般是NOT+NOR，NAND+ NOT实现的//why?
因此更好的实现方式是用NOR，NOT等门实现(前图中的与门、或门) //简单的逻辑转换
与门 非门+或非门
为什么不是NAND（A，B）+NOT实现?
NOT + NOR实现
•上图左侧还有简化，去掉最外层NOT，仅是连线重新改变而已
当ROM存储很大时?
•采用AND-OR结构？
•采用NOR结构？
•Fan-in很大时，NOR门PMOS串联长！
连线长，需要的门数多，面积大，速度慢！
补充：pseudo-nMOS gate •不再是正统的nmos/pmos互补
•weak来由：仅当nMOS网络没有pull-down 时，pMOS才能将输出pull-up
例子：NOR4
•优点：连线短了，速度快了，适于构建大容量存储模块
•缺点：当Y为LOW时，pMOS仍导通，VDD 与GND之间有小的短路电流，要小心设计使用！(CMOS为什么低功耗？)
•CMOS工作时，整体电路一直处于不导通状态（按互补方式连接，nmos导通时，pmos不导通；pmos导通时，nmos不导通）
•仅当状态切换的瞬间，nmos与pmos都导通。
时间短，所以功耗小！
AND阵列（实际是NOR门实现）
OR阵列：NOR+NOT=OR
固定AND，OR可编程
对应简图（“*”代表可编程）
Memory View（看做Memory）
类型
•ROM（Read Only Memory）•PROM（Programmable ROM）•EPROM（Erasable PROM）•EEPROM （Electrically EPROM）
•FLASH MEMORY
大的EEPROM，分成固定大小的区域，可单独编程
ROM-PROM-PAL-PLA
•ROM：mask-programmable •PROM：固定AND-plane,OR-plane可编程•PAL: 可编程AND-plane,固定OR-plane Programmable Array Logic
•PLA：可编程AND-plane,可编程OR-plane Programmable Logic Array
PLA实现
PAL实现
PAL product-term Expansion
Registered output and tri-state output概念
商业化PLD产品结构//要求：理解概念即可
•Altera的epld系列，MacroCell结构•从基本单元看功能：
组合电路：可以bypass寄存器
时序电路：触发器
寄存器化输出
三态输出
Feedback
CPLD （Complex PLD）(MAX7000)
MAX7000 macrocell结构
FPGA（更复杂，功能更多）
•FPGA基于SRAM技术
•CPLD基于Product-Term技术
FPGA原理
•最基本的思想：
用SRAM实现任意四输入逻辑
•任意四输入逻辑表达式展开为如下形式：Y=f(A,B,C,D)
transmission gate-based LUT
•只需更改左侧的值即可实现不同的函数功能！•左侧的值可以采用SRAM实现！
•即：改变SRAM的值，即改变了电路的功能，实现了“可编程”
•使用LUT实现了组合逻辑，时序逻辑？
加入触发器即可！
•LUT+触发器某种方式组合，形成基本逻辑宏单元
EAB结构（存储或者逻辑）
LAB结构。
