淺析PLD總體結(jié)構(gòu)及邏輯實現(xiàn)原理

一、基于乘積項（Product-Term）的PLD結(jié)構(gòu)

采用這種結(jié)構(gòu)的PLD芯片有：Altera的MAX7000，MAX3000系列（EEPROM工藝），Xilinx的XC9500系列（Flash工藝）和LatTIce，Cypress的大部分產(chǎn)品（EEPROM工藝）

我們先看一下這種PLD的總體結(jié)構(gòu)（以MAX7000為例，其他型號的結(jié)構(gòu)與此都非常相似）：

圖1 基于乘積項的PLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這種PLD可分為三塊結(jié)構(gòu)：宏單元（Marocell），可編程連線 （PIA）和I/O控制塊。 宏單元是PLD的基本結(jié)構(gòu)，由它來實現(xiàn)基本的邏輯功能。圖1中蘭色部分是多個宏單元的集合（因為宏單元較多，沒有一一畫出）。可編程連線負(fù)責(zé)信號傳遞，連 接所有的宏單元。I/O控制塊負(fù)責(zé)輸入輸出的電氣特性控制，比如可以設(shè)定集電極開路輸出，擺率控制，三態(tài)輸出等。 圖1 左上的INPUT/GCLK1，

INPUT/GCLRn，INPUT/OE1，INPUT/OE2 是全局時鐘，清零和輸出使能信號，這幾個信號有專用連線與PLD中每個宏單元相連，信號到每個宏單元的延時相同并且延時最短。

宏單元的具體結(jié)構(gòu)見下圖：

圖2 宏單元結(jié)構(gòu)

左側(cè)是乘積項陣列，實際就是一個與或陣列，每一個交叉點都是一個可編程 熔絲，如果導(dǎo)通就是實現(xiàn)“與”邏輯。后面的乘積項選擇矩陣是一個“或”陣列。兩者一起完成組合邏輯。圖右側(cè)是一個可編程D觸發(fā)器，它的時鐘，清零輸入都可 以編程選擇，可以使用專用的全局清零和全局時鐘，也可以使用內(nèi)部邏輯（乘積項陣列）產(chǎn)生的時鐘和清零。如果不需要觸發(fā)器，也可以將此觸發(fā)器旁路，信號直接 輸給PIA或輸出到I/O腳。

下面我們以一個簡單的電路為例，具體說明PLD是如何利用以上結(jié)構(gòu)實現(xiàn)邏輯的，電路如下圖：

圖3

假設(shè)組合邏輯的輸出（AND3的輸出）為f，則f=（A+B）*C*（！D）=A*C*！D + B*C*！D （ 我們以！D表示D的“非”）

PLD將以下面的方式來實現(xiàn)組合邏輯f：

圖4

A，B，C，D由PLD芯片的管腳輸入后進入可編程連線陣列 （PIA），在內(nèi)部會產(chǎn)生A，A反，B，B反，C，C反，D，D反8個輸出。圖中每一個叉表示相連（可編程熔絲導(dǎo)通），所以得到：f= f1 + f2 = （A*C*！D） +

（B*C*！D） 。這樣組合邏輯就實現(xiàn)了。 圖3電路中D觸發(fā)器的實現(xiàn)比較簡單，直接利用宏單元中的可編程D觸發(fā)器來實現(xiàn)。時鐘信號CLK由I/O腳輸入后進入芯片內(nèi)部的全局時鐘專用通道，直接連接 到可編程觸發(fā)器的時鐘端。可編程觸發(fā)器的輸出與I/O腳相連，把結(jié)果輸出到芯片管腳。這樣PLD就完成了圖3所示電路的功能。（以上這些步驟都是由軟件自 動完成的，不需要人為干預(yù)）

圖3的電路是一個很簡單的例子，只需要一個宏單元就可以完成。但對于一個復(fù)雜的電路，一個宏單元是不能實現(xiàn)的，這時就需要通過并聯(lián)擴展項和共享擴展項將多個宏單元相連，宏單元的輸出也可以連接到可編程連線陣列，再做為另一個宏單元的輸入。這樣PLD就可以實現(xiàn)更復(fù)雜邏輯。

這種基于乘積項的PLD基本都是由EEPROM和Flash工藝制造的，一上電就可以工作，無需其他芯片配合。