第 5 章 可编程逻辑器件
第一讲 可编程逻辑器件概述
- MOS 器件
- 固定逻辑器件/芯片
- 可编程逻辑器件（PLD），现场可编程门阵列（FPGA）
可编程逻辑器件（PLD）的分类
可编程只读存储器（PROM）
Programmable Read Only Memory：是一种与阵列固定、或阵列可编程的简单 PLD。任何逻辑函数转换成标准与-或表达式后，可用 PROM 来实现。与阵列的水平线输出对应标准与-或表达式中的标准乘积项（即最小项）
可编程逻辑阵列（PLA）
Programmable Logic Array：是一种与阵列、或阵列均可编程的逻辑阵列。无需向 PROM 那样将逻辑函数转化为标准与-或表达式，而只需要化简成最简与-或表达式即可，可以节省编程资源。
可编程阵列逻辑（PAL）
Programmable Array Logic：是一种与阵列可编程、或阵列固定的逻辑阵列
| 关系图 | 或阵列固定 | 或阵列不固定 |
|---|---|---|
| 与阵列固定 | 不可编程 | PROM |
| 与阵列不固定 | PAL | PLA |
通用逻辑阵列（GAL）
Generic Array Logic：与 PAL 最大的差别是输出逻辑宏单元（OLMC）可以编程定义。通过将 OLMC 设置成不同的工作状态，可适用不同的功能需求。
复杂可编程逻辑器件（CPLD）
Complex PLD 主要包括：
- 逻辑阵列块（Logic Array Block，LAB）
- I/O控制块：用于和芯片的I/O引脚互连
- 可编程互联阵列（PIA）
现场可编程门阵列（FPGA）
Field Programmable Gate Array：是一种高集成度的复杂可编程逻辑器件，可通过 EDA 软件对其进行配置和编程，可反复擦写。
第二讲 存储器阵列
- 存储器可用来存储数字电路中的数据。
- 寄存器用来存储少量数据，速度更快
- 存储器阵列用来存储大量数据，速度较寄存器慢
- 在 CPLD 和 FPGA 芯片中通常会提供片内存储器阵列
- 存储器阵列中每位数据对应一个记忆单元（cell），称为存储元
分类
按功能可分为：只读存储器（Read-only Memory, ROM）和随机存取存储器（Random-access Memory, RAM） ROM 属于非易失性存储器，即使电源断电，ROM中存储的数据也不会消失。根据工艺的不同，分为：
- 掩膜只读存储器 MROM
- 一次可编程只读存储器 PROM
- 光擦除可编程只读存储器 EPROM
- 电擦除可编程只读存储器 EEPROM（E2PROM） RAM属于易失性存储器, 一旦电源断电，RAM中存储的数据就消失。
- 静态RAM（Static RAM，SRAM）
- 动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）
ROM
ROM 存储阵列根据 MOS 晶体管的有无来区分存储 0 和 1，不同类型的 ROM，主要区别在于 MOS 晶体管的特性不同。
RAM
静态存储器 SRAM
只要保持电源，存储单元中存放数据就保持不变。 优点：读写速度快 缺点：价格高、功耗大、集成度低，无需刷新。 存储单元使用 6 个 MOS 晶体管来实现。
M1 和 M3、M2 和 M4 构成反相器，构成双稳态元件。M5 和 M6 为门控管
动态存储器 DRAM
单 MOS 管，电容上存有大量电荷为 1，否则 0。 优点：电路元件少，功耗小，集成度高，用于构建主存储器 缺点：速度慢，是破坏性读出（需读后再生），需定时刷新
刷新：DRAM 的一个重要特点是，数据以电荷的形式保存在电容中，电容的放电使得电荷通常只能维持几十个毫秒左右，相当于 1M 个时钟周期左右，因此要定期进行刷新（读出后重新写回），按行进行（所有芯片中的同一行一起进行），刷新操作所需时间通常只占 1%~2% 左右。
第三讲 FPGA 和 ASIC
现场可编程逻辑阵列 FPGA
FPGA 内部包含大量可配置逻辑块 CLB，它由若干查找表（Look-Up Table，LUT）及多路选择器、进位链、触发器 FF 等附加逻辑组成。
- 可对 CLB 进行不同配置。如下图：可对 MUX 编程配置为输出是 LUT 实现的组合逻辑电路结果 Y；也可配置为输出是时序逻辑电路结果 Q。
- LUT 本质上是一个 RAM，多采用 SRAM 实现。
函数发生器通过查找表 LUT 实现，其中的内容可编程配置 LUT 存储单元中存放函数输出值，用于实现一个小规模逻辑函数
专用集成电路 ASIC
Application-Specific Integrated Circuit：是一种应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。
- 全定制：设计者完成所有设计，速度更快
- 半定制：使用标准库里的标准逻辑单元（标准单元） FPGA和ASIC目前都是电子设计领域的主流产品。
- ASIC面向特定用户的需求，具有体积小、功耗低、可靠性高、性能高、保密性高、成本低等优点，一般用于批量大的专用产品中。
- FPGA可编程特性使其应用非常灵活，但芯片内部逻辑门的使用率大幅降低，导致功耗高、速度慢、资源冗余且价格昂贵，一般用于小批量产品设计中。