CHƯƠNG 1 CÁC THIẾT BỊ LOGIC LẬP TRÌNH ĐƯỢC (Programmable Logic Device)

Chia sẻ: Cao Van Manh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

RAM= Random Access Memory (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên) ROM= Read Only Memory M= Mask Programmed (được lập trình bằng che mặt nạ) P = Programmable (lập trình được, khả lập trình) EP = Erasable and Programmable EEP = Electrically Erasable and Programmable (xóa và lập trình bằng điện) PLD = Programmable Logic Device PLA = Programmable Logic Array (mảng logic lập trình được) PAL = Programmable Array Logic (logic mảng lập trình được) LCA = Logic Cell Array (Mảng tế bào logic)...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG 1 CÁC THIẾT BỊ LOGIC LẬP TRÌNH ĐƯỢC (Programmable Logic Device)

CHÖÔNG 1 CAÙC THIEÁT BÒ LOGIC LAÄP TRÌNH ÑÖÔÏC (Programmable Logic Device) Boä nhôù baùn daãn Boä nhôù baûng Boä nhôù haøm RAM ROM PLD tónh ñoäng MROM PLA PAL LCA EPLD PEEL GAL PROM PPLA EPROM EPLPAL EEPROM EEPPAL RAM= Random Access Memory (boä nhôù truy caäp ngaãu nhieân) ROM= Read Only Memory M= Mask Programmed (ñöôïc laäp trình baèng che maët naï) P = Programmable (laäp trình ñöôïc, khaû laäp trình) EP = Erasable and Programmable EEP = Electrically Erasable and Programmable (xoùa vaø laäp trình baèng ñieän) PLD = Programmable Logic Device PLA = Programmable Logic Array (maûng logic laäp trình ñöôïc) PAL = Programmable Array Logic (logic maûng laäp trình ñöôïc) LCA = Logic Cell Array (Maûng teá baøo logic)
ROM (Read-Only Memory) 1. GIÔÙI THIEÄU: ROM laø moät maïch toå hôïp coù m ngoõ vaøo vaø n ngoõ ra (hình 1.2). Caùc ngoõ vaøo ñöôïc goïi laø caùc ngoõ vaøo ñòa chæ (address inputs) vaø thöôøng ñöôïc ñaët teân laø A0, A1 ,..., Am-1. Caùc ngoõ ra ñöôïc goïi laø caùc ngoõ ra döõ lieäu (data outputs) vaø thöôøng ñöôïc ñaët teân laø D0, D1 ,..., Dn-1. 2m x n ROM A0 D0 A1 D1 address A2 D2 data inputs . . outputs (m ñöôøng) . . (n ñöôøng) Am-2 Dn-2 Am-1 Dn-1 Hình 1.2 Caáu truùc cô baûn cuûa ROM 2m x n Kích thöôùc cuûa ROM laø 2m x n (bit) Noäi dung cuûa ROM chöùa baûng chaân trò cuûa moät haøm logic toå hôïp n ngoõ vaøo, m ngoõ ra: coù m+n coät vaø 2m haøng. Boû qua caùc trì hoaõn thôøi gian, caùc ngoõ ra döõ lieäu cuûa ROM ôû moïi luùc laø caùc bit ra cuûa haøng trong baûng chaân trò ñöôïc choïn bôûi caùc ngoõ vaøo ñòa chæ. Ví duï: Baûng chaân trò cho haøm toå hôïp coù 3 ngoõ vaøo vaø 4 ngoõ ra Inputs Outputs A2 A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 Baûng 1.1 Baûng chaân trò cuûa haøm logic toå hôïp 3 ngoõ vaøo, 4 ngoõ ra
2. DUØNG ROM THÖÏC HIEÄN HAØM LOGIC: Baûng 1.1 laø baûng chaân trò cuûa boä giaûi maõ 2 sang 4 vôùi ñieàu khieån cöïc tính ngoõ ra, haøm naøy coù theå xaây döïng baèng caùc coång nhö ôû hình 1.3. Hình 1.3 Boä giaûi maõ 2 sang 4 vôùi ñieàu khieån cöïc tính giaù trò ra Nhö vaäy ta coù 2 caùch ñeå xaây döïng boä giaûi maõ : vôùi caùc coång rôøi, hoaëc vôùi ROM 8x4 maø chöùa baûng chaân trò nhö ôû hình 1.4. 8x4 ROM I0 A0 D0 Y0 I1 A1 D1 Y1 POL A2 D2 Y2 D3 Y3 Hình 1.4 Keát noái ñeå xaây döïng boä giaûi maõ 2 sang 4 duøng ROM 8x4 Chuù yù: • Vaán ñeà hoaùn vò caùc coät bit trong baûng chaân trò cuûa haøm caàn ghi ROM. • Khi duøng ROM ñeå chöùa moät baûng chaân trò cho tröôùc, caùc tín hieäu xuaát vaø nhaäp ñoïc töø phaûi sang traùi trong baûng chaân trò thöôøng ñöôïc gaùn vaøo caùc ngoõ vaøo ñòa chæ vaø ngoõ ra döõ lieäu cuûa ROM vôùi caùc nhoùm theo thöù töï taêng daàn. • Khi thieát keá duøng ROM ta caàn xaùc ñònh kích thöôùc vaø baûng chaân trò cuûa ROM
Thí duï : Duøng ROM ñeå thöïc hieän haøm nhaân nhò phaân khoâng daáu cho 2 soá 4 bit vôùi nhau. Söû duïng ROM 28x 8 (256 x 8) vôùi keát noái nhö ôû hình 1.5. Hình 1.5 Keát noái thöïc hieän nhaân nhò phaân khoâng daáu duøng ROM 256x8 Noäi dung ghi cho ROM (daïng file vaên baûn hex) nhö sau: Ñòa chæ: Tích soá cuûa 1x2
3. CAÁU TRUÙC NOÄI CUÛA ROM: Hình 1.6 laø 1 sô ñoà ROM 8 x 4 töï taïo duøng boä giaûi maõ TTL vaø caùc diode. Moãi ñöôøng ra boä giaûi maõ ñöôïc goïi laø ñöôøng töø (word line) bôûi vì noù choïn moät haøng hoaëc moät töø cuûa baûng chöùa trong ROM. Moãi ñöôøng thaúng ñöùng ñöôïc goïi laø ñöôøng bit (bit line) bôûi vì noù töông öùng vôùi 1 bit ra cuûa ROM. Hình 1.6 ROM 8 x 4 ñôn giaûn Nhaän xeùt: Coù diode thì töông öùng ngoõ ra ôû → möùc 0; coøn khoâng coù diode thì ngoõ ra töông öùng ôû möùc 1. Inputs Outputs A2 A1 A0 D3 D2 D1 D0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0
Giaûi maõ 2 chieàu Ví duï : ROM 128x1 Hình 1.8 Caáu truùc cuûa ROM 128 x 1 duøng giaûi maõ 2 chieàu Hình 1.9 Boá trí coù theå coù cuûa ROM 32K x 8
CAÙC KIEÅU ROM THOÂNG DUÏNG: Hình 1.10 Caùc kyù hieäu logic cho caùc EPROM chuaån vôùi daïng DIP 28 chaân CAÙC NGOÕ VAØO ÑIEÀU KHIEÅN: Hình 1.11 Caáu truùc ROM noäi vaø taùc duïng cuûa caùc ngoõ vaøo ñieàu khieån Ngoõ ra cuûa ROM thöôøng phaûi ñöôïc noái vaøo moät bus 3 traïng thaùi ôû ñoù caùc thieát bò khaùc coù theå laùi bus ôû caùc thôøi ñieåm khaùc. Do ñoù, ROM coù ngoõ ñieàu khieån “output enable” (OE : cho pheùp xuaát) vaø ngoõ vaøo chip select (CS: choïn chip).
PLD (Programmable Logic Device) 1. PLD TOÅ HÔÏP (COMBINATIONAL PLD) 1.1 Daõy logic laäp trình ñöôïc (PLA – Programmable Logic Array) PLA thöïc hieän cuøng chöùc naêng cô baûn nhö ROM. Moät PLA vôùi n input vaø m output (Hình 1.18) coù theå caøi ñaët m haøm cuûa n bieán. Toå chöùc noäi cuûa PLA goàm daõy AND vaø daõy OR. Hình 1.18 Caáu truùc PLA (PLA n x m vôùi p soá haïng tích) Thí duï: Toå chöùc noäi cuûa PLA 3x2 vôùi 4 soá haïng tích: Hình 1.19 PLA vôùi 3 ngoõ vaøo, 4 soá haïng tích vaø 2 ngoõ ra.
Baûng PLA cuûa PLA ôû treân : Ngoõ Ngoõ ra vaøo (T) (C) soá haïng tích A B C F1 F2 AB’ 1 1 0 — 1 0 AC 2 1 — 1 1 1 BC 3 — 1 1 0 1 A’BC’ 4 0 1 0 1 0 Moãi haøng trong baûng PLA bieåu dieãn moät soá haïng tích toång quaùt. Do ñoù zero, 1 hoaëc nhieàu haøng coù theå ñöôïc choïn bôûi moãi keát hôïp caùc giaù trò vaøo. Chuù yù: Khi soá bieán vaøo nhoû, thì toång quaùt laø ROM kinh teá hôn duøng PLA. Tuy nhieân khi soá bieán vaøo lôùn, PLA thöôøng cho giaûi phaùp kinh teá hôn ROM. Hình 1.20 Quy öôùc moät soá kyù hieäu keát noái trong PLD.
1.2 Logic daõy laäp trình ñöôïc (PAL-Programmable Array Logic) PAL laø tröôøng hôïp ñaëc bieät cuûa PLA maø trong ñoù daõy AND laäp trình ñöôïc vaø daõy OR laø coá ñònh. Caáu truùc cô baûn cuûa PAL thì gioáng nhö PLA ôû hình 1-18. Bôûi vì chæ coù daõy AND laø laäp trình ñöôïc, do ñoù PAL ít maéc tieàn hôn caùc PLA toång quaùt hôn,vaø deã laäp trình PAL hôn. Vì lyù do naøy, caùc nhaø thieát keá logic thöôøng söû duïng caùc PAL ñeå thay theá caùc coång logic khi phaûi caøi ñaët nhieàu haøm. (a) Chöa laäp trình (b) Ñöôïc laäp trình Hình 1.21 Moät ñoaïn PAL Chuù yù :
Phaàn lôùn caùc nhaø saûn xuaát PAL coù chæ ra thieát keá noäi cuûa PAL ôû kyù hieäu teân cuûa noù. Thí duï: PAL16L8B4 coù 16 laø soá ngoõ vaøo; L chæ caáu truùc ngoõ ra (tích cöïc thaáp); 8 laø soá ngoõ ra; B laø toác ñoä vaø 4 chæ tieâu taùn coâng suaát. + Vôùi caáu truùc ra, thí duï nhö : H: (High) chæ ngoõ ra tích cöïc cao (acitve high) L : (Low) chæ ngoõ ra tích cöïc thaáp (active low) C : (Complement) chæ ngoõ ra coù caû 2 ñöôøng tích cöïc cao vaø thaáp. + Toác ñoä : A = toác ñoä cao; B = toác ñoä raát cao; vaø D = toác ñoä cöïc cao. + Tieâu taùn coâng suaát: ñeå troáng chæ ñaày ñuû; 2 chæ 1/2; 4 chæ 1/4. Hình 1.22 Thí duï moät soá caáu truùc ngoõ ra Thí duï: 10H8, 12H6, 18L4, 20L2, 16C1, 20C1.
2. PLD TUAÀN TÖÏ (SEQUENTIAL PLD) Phaàn lôùn caùc thieát keá soá caàn caùc flipflop, do ñoù ngöôøi ta thieát keá theâm caùc PLD coù chöùa caùc flipflop. Caùc PLD nhö vaäy thöôøng ñöôïc goïi laø PLD coù thanh ghi (registered PLD) hay PLD tuaàn töï (sequential PLD), thöôøng thì thanh ghi ñöôïc ra töø caùc D flipflop. Hình 1.24 Moät ñoaïn cuûa PAL tuaàn töï. Caùc daáu X treân sô ñoà chæ söï caøi ñaët phöông trình traïng thaùi keá: Q+ = D = A’BQ’ + AB’Q Ngoõ ra flipflop ñöôïc noái vaøo 1 boä ñeäm ñaûo 3 traïng thaùi maø ñöôïc cho pheùp khi EN=1. Baûng 1.10 chæ caùc ñaëc tính cuûa moät soá PAL tuaàn töï thoâng duïng. Baûng 1.10 Ñaëc tính cuûa caùc PAL tuaàn töï. Kieåu Soá ngoõ vaøo Soá ngoõ vaøo Soá coång AND (tröïc tieáp+hoài tieáp +I/O) (flip-flop +I/O) treân coångOR 16R4 8+4+4 4+4 8 16R6 8 + 6 +2 6+2 8 16R8 8+8+0 8+0 8 20R4 12 + 4 + 4 4+4 8 20R6 12 + 6 + 2 6+2 8 20R8 12 + 8 + 0 8+0 8 20X4 10 + 4 + 6 4+6 3/2* 20X8 10 + 8 + 2 8+2 3/2 20X10 10 + 10 + 0 10 + 0 -/2 Ghi chuù: * 3 vôùi caùc ngoõ ra toå hôïp, 2 cho caùc ngoõ vaøo D flipflop. Moãi PAL naøy chöùa 1 thanh ghi coù töø 4 ñeán 10 D flipflop. 6 PAL ñaàu trong baûng töông töï vôùi 16R4 (16R4 coù 1 daõy coång AND vôùi 16 ngoõ vaøo, vaø coù 4 D flipflop).
Ba PAL cuoái trong baûng 1.10 chæ caùc “XOR PAL”. XOR PAL coù 1 coång XOR laùi moãi ngoõ vaøo D flipflop nhö ôû hình 1.26. Trong caùc PAL naøy, moãi coång XOR ñöôïc laùi baèng 2 coång OR vaø moãi coång OR ñöôïc laùi baèng 2 coång AND. Caùc ngoõ ra flipflop coù theå ñöôïc hoài tieáp veà caùc ngoõ vaøo cuûa coågn AND nhö trong caùc PAL coù thanh ghi khaùc. Daïng toång quaùt cuûa phöông trình traïng thaùi keá cho moãi flipflop trong XOR PAL laø Q+ = D = ( P1 + P2) ⊕ (P3 + P4) Hình 1.26 Moät ñoaïn cuûa XOR PAL
THIEÁT KEÁ HEÄ TUAÀN TÖÏ ÑOÀNG BOÄ 1. Giôùi thieäu: Heä tuaàn töï goàm 2 phaàn: Flip-Flop vaø maïch logic (heä toå hôïp). Do tính chaát cuûa caùc ngoõ ra, maø heä tuaàn töï ñöôïc chia thaønh 2 kieåu: a. Kieåu MEALY: HEÄ TOÅ HÔÏP X1 Z1 X2 Z2 NGOÕ VAØO NGOÕ RA Xn Zm Q+1 D1 Q+2 D2 Q1 Q2 Qk Q+k Dk Clock Q1, Q2, …, Qk : traïng thaùi hieän taïi cuûa FF Q+1, Q+2, …, Q+k : traïng thaùi keá tieáp cuûa FF Traïng thaùi keá tieáp = F (traïng thaùi hieän taïi Qi vaø caùc ngoõ vaøo Xj) Giaù trò ngoõ ra = G (traïng thaùi hieän taïi Qi vaø caùc ngoõ vaøo Xj)
Ñeå bieåu dieãn moái quan heä giöõa traïng thaùi keá tieáp, caùc ngoõ ra phuï thuoäc vaøo traïng thaùi hieän taïi vaø caùc ngoõ vaøo, ngöôøi ta söû duïng baûng traïng thaùi vaø giaûn ñoà traïng thaùi. * Baûng traïng thaùi (State Table): Traïng thaùi Traïng thaùi keá tieáp Ngoõ ra (Z) hieän taïi Giaù trò vaøo: X = 0 1 X=0 1 S0 S0 S1 0 1 S1 S1 S2 1 0 S2 S2 S0 0 1 S3 S3 S1 0 1 * Giaûn ñoà traïng thaùi (State Graph): 0 0 S0 X 1 1 = Z 1 1 0 1 0 S2 S1 S3 1 0 1 0 0 0 1 Khi thay ñoåi giaù trò ngoõ vaøo thì giaù trò ngoõ ra cuõng thay ñoåi nhöng traïng thaùi hieän taïi giöõ nguyeân khoâng ñoåi cho tôùi khi coù xung clock.
b. Kieåu MOORE: HEÄ TOÅ HÔÏP HEÄ TOÅ HÔÏP CHO NGOÕ VAØO CHO NGOÕ RA X1 Z1 Q+1 D1 Q1 X2 Z2 Xn Q+2 D2 Q2 Zm Q1 Q2 Q+k Dk Qk Qk Clock Traïng thaùi keá tieáp = F (traïng thaùi hieän taïi Qi vaø caùc ngoõ vaøo Xj) Giaù trò ngoõ ra = G (traïng thaùi hieän taïi Qi)
* Baûng traïng thaùi (State Table): Traïng thaùi Traïng thaùi keá tieáp Ngoõ ra (Z) hieän taïi Giaù trò vaøo: X = 0 1 S0 S0 S2 0 S1 S0 S2 1 S2 S2 S3 1 S3 S3 S1 0 * Giaûn ñoà traïng thaùi (State Graph): X=0 S0 1 0 0 S1 1 S2 0 1 1 1 1 S3 0 0
2. Ruùt goïn baûng traïng thaùi: Vôùi heä tuaàn töï coù m traïng thaùi, ta söû duïng n FF theo coâng thöùc sau: 2n-1 < m ≤ 2n Do soá löôïng caùc traïng thaùi quyeát ñònh soá löôïng caùc FF thöïc hieän heä, neân caàn phaûi löôït boû caùc traïng thaùi töông ñöông nhau; chæ caàn giöõ laïi 1 traïng thaùi ñaïi dieän. Hai traïng thaùi ñöôïc coi laø töông ñöông nhau khi thay ñoåi cuøng giaù trò ngoõ vaøo maø coù giaù trò ngoõ ra gioáng nhau vaø traïng thaùi keá tieáp maø chuùng chuyeån tôùi töông ñöông nhau. Hieän taïi Keá tieáp Ngoõ ra X=0 1 X=0 1 A C E 0 1 B D F 0 1 Traïng thaùi A vaø B coù theå töông ñöông do coù ngoõ ra gioáng nhau khi cuøng ñieàu kieän ngoõ vaøo, nhö vaäy A vaø B seõ töông ñöông neáu nhö C töông ñöông vôùi D vaø E töông ñöông vôùi F (A ≡ B ⇐ C ≡ D vaø E ≡ F). Vd1: Ruùt goïn baûng traïng thaùi sau PS NS Z PS NS Z X=0 X=1 X=0 X=1 X=0 X=1 X=0 X=1 S0 S 1 S2 0 0 S0 S1 S2 0 0 S1 S 3 S4 0 0 S1 S3 S4 0 0 S2 S 5 S6 0 0 S2 S3 S4 0 0 S3 S 0 S0 0 0 S3 S0 S0 0 0 S4 S 0 S0 1 0 S4 S0 S0 1 0 S5 S 0 S0 0 0 S5 S0 S0 0 0 S6 S 0 S0 1 0 S6 S0 S0 1 0 Ta thaáy S4 ≡ S6 vaø S3 ≡ S5 Ta thaáy S1 ≡ S2 PS NS Z X=0 X=1 X=0 X=1 S0 S1 S1 0 0 S1 S3 S4 0 0 S3 S0 S0 0 0 S4 S0 S0 1 0
* Phöông phaùp ruùt goïn baèng baûng keùo theo (Implication Table): Vd: PS NS Z X=0 X=1 A D C 0 B F H 0 C E D 1 D A E 0 E C A 1 F F B 1 G B H 0 H C G 1 - Thaønh laäp baûng keùo theo: moãi oâ vuoâng laø 1 caëp traïng thaùi B C D E F G H A B C D E F G - Laäp caùc nhoùm coù theå töông ñöông (coù giaù trò ra gioáng nhau): ta coù 2 nhoùm (A, B, D, G) vaø (C, E, F, H) - Taïi caùc oâ vuoâng ta ñieàn caùc ñieàu kieän töông ñöông neáu 2 traïng thaùi cuøng nhoùm vaø ñieàn daáu X neáu khaùc nhoùm Vd: D-F B C C-H A A
D-F B C-H C A-F D C-E E-H E A-D E-F C-F F B-D A-B G B-D A-B B-F C-H E-H C-E C-F H A-G D-G B-G A B C D E F G - Kieåm tra caùc oâ töø treân xuoáng, töø traùi sang phaûi neáu khoâng töông thì ñieàn daáu X. Thöïc hieän böôùc naøy cho tôùi khi khoâng coøn oâ coù daáu X. - Caùc oâ coøn laïi seõ laø caùc caëp traïng thaùi töông ñöông. D-F B C-H C A-F D C-E E-H E A-D E-F C-F F B-D A-B G B-D A-B B-F C-H E-H C-E C-F H A-G D-G B-G A B C D E F G