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Chapter 5 Digital Hardware Implementation¶

约 960 个字预计阅读时间 5 分钟

Programming technologies 可编程技术¶

直接更改硬件布线来修改电路功能被称为硬编程，而可编程技术让我们能够在不直接更改硬件布线的情况下，利用软件编程来间接更改硬件布线。硬编程的操作者是设计制造者(manufacturer)，而软编程的操作者是用户(user)。

分为三种types：

Control connections 控制连接来实现 其中如下三个技术不属于可重(reprogrammable)编程技术，为永久编程技术
- Mask programming 掩膜编程
- Fuse 熔丝
- Anti-fuse Fuse的反操作，通过高电压联通部分电路
Control transistor switching 控制晶体管开关实现
Build lookup tables 使用查找表

Control connections 控制实体电路通断¶

Mask programming 掩模编程（较昂贵）
Fuse 熔丝，可以控制是否要断掉（一次性）
Antifuse 与熔丝相反，可通过控制电压来控制是否接通（体积小，成本高）

Control transistor switching 控制晶体管控制极¶

当控制极输入1时，通；输入0时，断。特点：

Erasable（可重编程）
Electrically erasable
Flash （Flash memory，可用于u盘）

Build Lookup Tables（LUT）查表法¶

采用多路选择器，当需要改变逻辑关系的时候不需要改变器件

Programmable Logic Device 常见的可编程技术¶

只读内存Read Only memory(ROM) Fixed AND & Programmable OR
可编程阵列逻辑 Programmable Array Logic(PAL) Programmable AND & Fixed OR
可编程逻辑阵列Programmable Logic Array Programmable AND & Programmable OR
Complex Programmable Logic Device (CPLD) /FieldProgrammable Gate Array (FPGA)

其中，前三种是通过Control connections来控制，只能编程一次，属于永久编程技术，最后一种使用LUT控制，属于可重编程技术。

对于ROM：将所有最小项译码出来，但是最终可以只让其中两项或出来
对于PAL：OR的数量是死的，但是可以在AND中加项或是减项
对于PLA：OR和AND都可以发生增减，灵活但有局限（缺陷）

Logical Symbols 逻辑符号¶

Read Only Memory 只读内存¶

Read Only Memory(ROM) or Programmable Read Only Memory(PROM)

General Structure with decoder

An \(2^3\times 4\) ROM (N=3 input lines , M=4 output lines)

实际使用用例

3bit输入的平方计算 \(B[5:0]=A[2:0]\times A[2:0]\)

首先列出真值表
将能直接化简掉的直接化简，如上图 \(B_1=0,B_0=A_0\)
然后运用minterms直接得出ROM的结构图：

Programmable Array Logic 可编程阵列逻辑¶

The PAL is the opposite of the ROM , having programmable set of ANDs combined with fixed ORs.

General Structure

由于与门的 fan-in 有限，所以不可能将所有minterm表示，这就导致有些function可能做不到，这个缺点可以由将输出接回输入的方式解决：

Programmable Logic Array 可编程逻辑阵列¶

优点:
- 灵活，能完成对 ROM 和 PAL 来说 impractical 的函数
缺点:
- 与门的数量限制了应用
- 需要多余的外部连接来进行多层次的电路设计，且优化变得复杂

因此通常会在后面加一个异或门（决定是否要对结果取非）来增加与门表示的product的种类

Field-Programmable Gate Arrays （FPGA）¶

Lookup Table（LUT）¶

通过组合多路选择器来选择要输出的真值表的值：

Internal Structure

Configurable Logic Block (CLB)¶

FPGA基本的逻辑单元

由于LUT中的Storage Cells是不稳定的，我们需要在里面使用PROM来永久保存data.

Example

总结¶

Example 将格雷码转换成二进制码，用四种可重编程元器件实现：

<1> ROM

<2> PAL

<3> PLA

<4> FPGA

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