可程式逻辑装置简介.ppt

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1、可程式邏輯裝置簡介 課程名稱:運動控制概論 班級：控晶四乙 學號：4982C074 姓名：蘇子翔 指導老師：王明賢 老師 資料來源:維基百科，自由的百科全書 https:/zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%AF%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E9%82%8F%E8%BC%AF%E8%A3%9D%E7%BD%AE 可程式邏輯裝置（英語：Programmable Logic Device, PLD）是一種電子零件、電子 組件，簡而言之也是一種積體電路、晶片。PLD晶片屬於數位型態的電路晶片，而非類比 或混訊（同時具有數位電路與類比電路）晶片。 PLD與一般數位晶片不同

2、的是：PLD內部的數位電路可以在出廠後才規劃決定，有些類型 的PLD也允許在規劃決定後再次進行變更、改變，而一般數位晶片在出廠前就已經決定其 內部電路，無法在出廠後再次改變，事實上一般的類比晶片、混訊晶片也都一樣，都是在 出廠後就無法再對其內部電路進行調修。 本文以下將講述PLD的發展歷程，然而要想瞭解PLD的過往發展歷程就不得不談及一些半 導體業者，但講述這些業者在PLD方面的事蹟並非是本文的用意，也沒有推介或批評這些 業者的意思。 將ROM當成PLD來使用 NEC公司的PROM晶片：D23128C，位於ZX Spectrum的電路板上。 在PLD還未被發明前，已有人將唯讀記憶體（ROM）晶

3、片以PLD的概念來運用，用ROM晶片來充當一些輸入性的組合邏輯（ combinatorial logic）函式。 首先一顆ROM晶片有 m 個輸入（位址線，或稱：位址匯流排、定址線）以及 n 個輸出（資料線，也稱：資料匯流排，在此也可 稱：資料輸出線），當ROM被當成記憶體使用時，它就有 個 n bits 的記憶儲存空間。 現在我們運用一下想像，輸入部分不再是個 m-bit 的位址線路，而被看成是有 m 個相互無關連的獨立邏輯信號線。且就理論而言 一顆ROM晶片內可以放置 個布林（Boolean）函式（也稱：布爾函式），且每個布林函式可以有 m 個邏輯信號。 不過，這種用ROM喬裝成的PLD，

4、礙於ROM自身原有的結構設計，使真正有效的函式數取決於輸出接腳（也稱：腳位、引 腳）數，因此有 n 個輸出就只能有 n 個可用的有效函式。更簡單的說，這時候的ROM等同於 n 組相互無關的獨立邏輯電路，每 組電路的產生、形成，則取決於由 m 個輸入所組成的邏輯函式。 使用ROM來當PLD的好處是：有幾個以m輸入方式表示的邏輯函式，就會有幾個對應的n輸出，且絕大多數一般性用途的組合邏 輯裝置都可適用此種作法。同樣的，PROM（Programmable ROM）、EPROM（ultraviolet-Erasable PROM）、EEPROM（ Electrically Erasable PROM）

5、等也都可以用此種方式進行邏輯規劃、程式化，而且不需要特殊的軟硬體，只要用標準的PROM 燒錄器即可實現程式化。然而，無論怎麼說，這種作法也有些缺點： 與真正專精的邏輯電路相比，在反應速度表現上慢了太多。 在非同步（也稱：異步）的邏輯狀態轉變下，無法提供安全性的狀態防護，cover。 過於耗電（同樣是與真正專精的邏輯電路相比）。 整個ROM中僅有小部分的記憶儲存空間能被有效使用，其餘都形同浪費。 第一個在商業化市場運用的PLD，是由Monolithic記憶體公司（Monolithic Memories, Inc.，簡稱：MMI）所推出的可程式化陣列邏輯（Programmable Array Lo

6、gic，簡稱：PAL）（此點有爭議，詳見討論頁），雖然IBM公司在 1970年代中也有研製類似的裝置（器件），但僅在該公司內部使用。1 MMI公司在20-pin（20支接腳、引腳、腳位）的PAL方面相當成功，之後超微 （AMD）公司也推出了22V10，22V10也是顆PAL，具有原先PAL所有的特性 特點，但接腳數增至24-pin。更之後AMD公司收併了MMI公司（約1987年，待 查證），並將其納入自身的PLD部門，數年後AMD以百分之百轉投資的方式將 PLD部門分立成獨立的威特信（Vantis）公司，到了1999年則由萊迪思半導體 （Lattice Semiconductor）公司收購AM

7、D公司手中的Vantis公司股份，自此收 併Vantis公司。 早期的可程式邏輯 主條目：可程式陣列邏輯 MMI公司於1978年推出的PAL，稱 為PAL16R6，具有20-pin接腳、引 腳，採行DIP封裝。 GAL 以PAL（可程式陣列邏輯）為基礎的接續創新是GAL（Generic Array Logic，通用陣列邏輯），此是由萊迪思半導體（en:Lattice Semiconductor）公司所發明，GAL的特性與PAL相同，不過PAL的電 路組態、配置只能進行一次的程式燒錄，不能再有第二次，而GAL則是 可以反覆對電路組態、配置進行燒錄、清除、再燒錄、再清除。2 GAL這種可重複燒錄的

8、特性在研發過程時的試製階段（prototyping stage）中特別好用，一旦在邏輯電路的設計上發現有任何錯誤（bug ），若是用GAL就能夠以重新燒錄的方式來修正錯誤。此外GAL也可以 用PAL的燒錄器來進行燒錄及再燒錄，雖然現在已經有可線上燒錄（In -Circuit Programmable，有時也稱：In-System Programmable）的 ispGAL22V10。 另一個與GAL相類似的是PEEL（Programmable Electrically Erasable Logic），是由International CMOS Technology（簡稱：ICT ）公司所提出。

9、CPLD PAL、GAL僅適合用在約數百個邏輯閘所構成的小型電路，若要實現更大的電路則適 合用CPLD（Complex PLD，複雜型PLD），一顆CPLD內等於包含了數顆的PAL，各 PAL（邏輯區塊）間的互接連線也可以進行程式性的規劃、燒錄，CPLD運用這種多合 一（All-In-One）的整合作法，使其一顆就能實現數千個邏輯閘，甚至數十萬個邏輯閘 才能構成的電路。 至於CPLD的程式燒錄方式，雖然有些CPLD可以用PAL的燒錄器來進行燒錄，但這種 燒錄方式對經常有數百隻接腳的CPLD來說並不方便。另一種燒錄方式是CPLD已焊於 印刷電路板上，之後透過額外的臨時外接，或原有線路的內接，使C

10、PLD與個人電腦間 能取得連線，由個人電腦以串列或並列方式將新的燒錄資料發送到CPLD上，而CPLD 內部也具有解碼電路能對接收到的資料進行還原解析，之後再進行重新的燒錄，以此 方式讓CPLD內的程式（也可稱：電路）獲得更新。 要注意的是，每家業者的CPLD晶片多具有焊接後再行傳輸、再次燒錄的技術，但各家 的技術實現方式與名稱多不盡相同，例如萊迪思半導體（en:Lattice Semiconductor） 公司就將此種燒錄技術稱為in-system programming。 不過，各家獨創、專屬的作法也正逐漸消失、去除中，並朝共通標準、一致的方向發 展，如IEEE 1532。 Altera公司

11、的MAX 7000系列CPLD：EPM7128SLC84-7， 該CPLD內有2,500邏輯閘可供組態配置。 FPGA 當PAL忙於進展成GAL、CPLD時，另一種可程式化的流派也逐漸成形，此稱之為場式可程式閘陣列（Field Programmable Gate Array，簡稱：FPGA）或現場可程式閘陣列，FPGA是以閘陣列（en:Gate Array）技術為基礎所發 展成的一種PLD。 FPGA早期的例子是Signetics公司在1970年代晚期所推出的82S100（陣列）及82S105（定序器、編序器），其中 82S100為與，AND型的閘陣列，而82S105也相同，但再追加正反器（F

12、lip Flop，cn處也稱：觸發器）的功能。 FPGA運用一種邏輯閘式的網格（Grid），這種網格與普通的閘陣列相類似，網格可以在FPGA晶片出廠後才進行組 態配置的程式性規劃。至於為何要稱場式可程式化就有些難懂了，場式，Field對晶片生產廠以外的世界來說是個 工程方面的專業術語，然而廠外也是晶片買主的所在處。（言下之意是：不應當以這種艱澀難懂的工程用詞來做為晶片產 品的推行名稱） FPGA通常也可以在焊接後再進行程式燒錄、變更的工作，此在某種程度與大型的CPLD相似。而絕大多數的FPGA，其內部 的程式組態配置是屬於揮發性的，即是無持續電力供應後組態配置的內容就會消失，所以在裝置（也指：

13、器件、晶片）重新 獲得電力後，就必須將組態配置內容重新載入（re-load）到FPGA中，或者期望改變FPGA內的配置組態時，也必須進行重 新載入的動作。 而關於組態配置的內容，就一般來說會存放在非揮發性的記憶體中，如PROM或EEPROM，若是用EEPROM，則或許也能 用線上燒錄（In-System Programmable，ISP）的方式來再次改變組態配置的內容（一般來說是透過JTAG介面來進行ISP ）。 FPGA與CPLD都很適合用在特殊、特定的工作上，這是以此類晶片的技術本質來做為合適性的考量，然而有時在以經濟性為 主的權衡評估下也適合使用FPGA、CPLD，或者有時也會以工程師的

14、個人偏好與經驗來決定。 主條目：現場可程式邏輯門陣列 Altera公司的Flex系列FPGA：EF10K20RC240-4，該 晶片內有20,000個Cell（邏輯晶格）可供組態配置。 其他型態的PLD 除上述外，目前也有許多有趣的可再組態配置的系統（其實多指：晶片）。例 如：有些微處理器內除了一些固定性功效的電路外，其他部分的電路則可以依 據微處理器所執行的程式碼而改變其功效。要想設計這種半變動式的系統，工 程師得學習新的方法，甚至可能要用新的軟體工具才能夠開發。 另外，現在銷售的PLD中，有的也會在晶片內提供一個具固定性功效的微處理 器，然後微處理器的四周位置則設有許多可供組態配置的可程式

15、邏輯（也因為 處理器位在其中，所以也被稱為：核心），此種作法的好處是可以讓設計者（ 指：電子應用工程師）更專注在為他的設計增加新的功能特點，而少去擔心 如何讓微處理器運作之類的基礎性設計。 PLD是如何維持住它的電路組態、配置？ 在一個PLD內有邏輯部分也有記憶部分，記憶部分是用來儲存組態配置的程式內容，而儲存的方式多是存放在 可供PLD使用的積體電路（也稱：積體電路）中，這包括： Silicon antifuses（矽反熔絲） SRAM（靜態隨機存取記憶體） EPROM or EEPROM cells（EPROM或EEPROM的記憶晶格） Flash memory（快閃記憶體，也稱：閃存）

16、矽反熔絲主要是用於PAL內，方式上是在PAL內部可程式化的矩陣中，若期望矩陣中的某處、某一位置能夠形 成連接連線，則對該位置的行、列兩端施壓一個燒錄燒寫電壓（此電壓通常高於一般運作時的電壓），如此 該位置就會形成連接的短路、閉路（short）狀態，相反的未施加電壓的地方則保持開路（open）狀態，由這 開路、閉路來形成邏輯的0、1儲存。不過一旦某位置被施加燒寫電壓而形成短路後，就無法在恢復成開路狀 態，但其他仍保持開路的位置，仍可施壓電壓使其短路，不過整體來說矽反熔絲僅適合一次性的組態配置燒 錄，一旦燒寫的內容有錯誤，該顆PAL即宣佈報廢。此外，之所以稱為反熔絲，理由是它的特性原理恰巧 與一般

17、日常所用的熔絲、保險絲（fuse）相反，保險絲平時為短路，而被施加較高電壓時便會燒斷，成為永久 性的斷路、開路，反熔絲卻是平常為斷開，施加電壓後反成為連接的短路、閉路。 SRAM屬於揮發性的記憶體，這表示它在每次失去供電後就無法保存資料，若有PLD使用SRAM做為其組態配 置的儲存記憶（多數為FPGA），則每一次重新供電後就必須再次將組態配置資料載入（load，用意等同於將 程式燒錄燒寫到PLD內）到PLD的SRAM中，不過此一送電後重新載入的程式，通常是交由另一部份的電路以 自動化方式來執行，此一開機後自動將程式載入到PLD內的電路，過去是在PLD外部另行設計，但現在也 有整合（也稱：集成）

18、到PLD內部的作法。 EPROM的記憶晶格是一種MOS（metal-oxide-semiconductor，金屬氧化半導體）型的電晶體，若 對該電晶體的閘極進行充電，則該充電後的狀態就會成為一個記憶留存，之後無論晶片有無供電都 可以持續維持著該狀態，直到數年後充電狀態才會消退消失，而透過對各記憶晶格的充電有無就能 夠儲存0、1的組態配置。至於記憶資料當如何抹除（也稱：拭除、擦除），這必須用強烈的紫外 線對EPROM進行照射，以此強迫各閘極將原有的充電加以釋放，且時間必須長達數十分鐘才能全 部抹除，否則會有抹除不完整的情形，此一抹除程式多是用所謂的紫外線EPROM抹除盒，英 文稱EPROM er

19、aser，即是一個小盒子內設有紫外線燈管，之後將EPROM放入盒內，再將盒子的 電源開啟並點亮紫外線燈管，讓紫外線照射EPROM，以此來進行清除，也因為紫外線對人體有害 ，所以才要在密閉不透光的小盒子內進行照射，此外為了方便工程師使用，抹除盒通常還設有定時 裝置，時間到後會自動提醒工程師已經達當初設定的照射時間。 EPROM為了能再抹除、再燒寫，必須使用陶瓷材質的封裝，且晶片上方必須設有石英材質的透光 窗，以便讓紫外線射入。圖為世界上第一顆EPROM：1702，由英特爾（Intel）公司於1971年提出 。 快閃記憶體（閃存）具有非揮發性，即是斷電後仍可保存記憶內容，且需要時它也隨時能再清除抹

20、 除（erase）、再燒錄燒寫（program、reprogram），這些特性對PLD的記憶來說特別好用。 時至2005年，多數的CPLD都已使用電氣方式燒寫與電氣方式抹除，並以非揮發性方式來記憶。因 為經過事實驗證，在太小的邏輯運用中用SRAM來儲存邏輯組態配置，則每次重新送電啟動就必須 再次進行載入燒寫，如此實在過於麻煩，所以才會改成以非揮發方式來進行記憶儲存。此外，若是 用EPROM方式進行儲存，且為了能夠再次抹除與再次燒寫，則PLD在其晶片封裝上就必須使用陶 瓷材質的封裝，並在EPROM裸晶（Die）位置的上端設立石英材質的透光窗，好讓紫外線能夠照 射入內，如此才能抹除EPROM裸晶上

21、所儲存的組態配置資料，而這種封裝方式遠貴於一般的塑膠 材質封裝。 EPROM為了能再抹除、再燒寫，必須使用陶瓷材質的封裝，且晶片上方必須 設有石英材質的透光窗，以便讓紫外線射入。圖為世界上第一顆EPROM： 1702，由英特爾（Intel）公司於1971年提出。 PLD的程式語言 有關之前所談到的PAL，若要以手工的方式來產生JEDEC檔實是過於複雜，所 以多半改用電腦程式（也稱：計算機程式）來產生，這種程式（程式）稱為邏輯 編譯器，logic compiler，它與程式開發撰寫時所用的軟體編譯器相類似，而要編 譯之前的原始程式碼（也稱：源代碼）也得用特定的程式語言（也稱：程式語言、 編程語言

22、）來撰寫，此稱之為硬體描述語言（hardware description language, HDL ）。 而且，硬體描述語言並非僅有一種，而是有許多種，如ABEL、AHDL、Confluence 、CUPL、HDCaml、JHDL、Lava、Lola、MyHDL、PALASM、RHDL等都是，但 目前最具知名也最普遍使用的是VHDL與Verilog HDL。 附註 1 - 就理論發展過程而言，在ROM類還歷經了一小段PLA（Programmable Loigic Array）發展，之後才有PAL，ROM、PLA、PAL三者的主要差別是： ROM僅在輸出的OR（或）陣列可進行組態配置的規劃，而

23、PAL僅能在輸入 的AND（與）陣列進行規劃，而PLA兩者皆可。 2 - 事實上除了可覆寫（Rewritable）外，GAL與PAL間的更大差別在於GAL 的輸出端追加了輸出巨集晶格（Ouput Logic Macrocell，簡稱：OLMC）的 設計，使邏輯輸出有更多的控制方式，使GAL比PAL更方便用在與序向邏輯 電路的搭配上。（巨集也稱為宏） 3- 相對於Field-Programmable，場燒錄一詞的是Mask- Programmable，遮罩、遮蓋式刻錄，即是指用光罩（Mask，也稱：掩膜 ）方式曝光後蝕刻而成的電路，也就是ASIC的製程方式，只能在晶圓廠（ Foundry）使用的程式燒錄法，更正確的說是：（積體、集成）電路的製造 法。