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Chapter 5 Digital Hardware Implementation

CMOS

CMOS基础是MOS（金属氧化物半导体）晶体管

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漏极电压比源极电压足够大，处于导通状态（ON）；小于阈值，沟道消失，处于截止状态（OFF）

Why Programmable Logic?

  1. Facts:

    • It is most economical to produce an IC in large volumes
    • Many designs required only small volumes of ICs

  2. Need an IC that can be:

    • Produced in large volumes
    • Handle many designs required in small volumes
  3. A programmable logic part can be:
    • made in large volumes
    • programmed to implement large numbers of different low-volume designs
  4. Many programmable logic devices are field-programmable, i. e., can be programmed outside of the manufacturing environment

  5. Most programmable logic devices are erasable and reprogrammable.

    • Allows “updating” a device or correction of errors
    • Allows reuse the device for a different design - the ultimate in re-usability! Ideal for course laboratories

  6. Programmable logic devices can be used to prototype design that will be implemented for sale in regular ICs.

    • Complete Intel Pentium designs were actually prototyped with specialized systems based on large numbers of VLSI programmable devices!

Programming Technologies

Classification

Control connection

  1. Mask programming：工厂生产时完成，不可再编程，好处是成本低，one time programming
  2. Fuse(熔丝)：在芯片设计时，在很多芯片引脚连接之间有 fuse, 设计电路时不需要保留连接的用高电压产生高电流，熔断 fuse.
  3. Antifuse 反熔丝：最开始断开，击穿后电路连接好

  4. Single-bit storage element：存储一个二进制位，这个位的输出控制一个晶体管，进而控制两个引脚连接/断开

    1. 用一位存储单元驱动一个n沟道MOS晶体管
      • 存储1晶体管导通，0则截止
    2. 供电时才能存储值，因此是易失的

  5. 晶体管开关控制：基于浮动栅极存储电荷，浮动栅极存储的负电荷使晶体管截止。若正常栅极加载高电平，存储负电荷消失使晶体管导通

Build Lookup Table(LUT)

如 16 位寄存器（存真值表的值） +16-1 Mux 可构成四输入之内的逻辑模块，只需要将 16位寄存器填上不同的值就可以实现不同的逻辑函数

Transistor Switching Control

  1. 用晶体管控制开关，类似连接控制 浮动栅极：

  2. Stored charge on a floating transistor gate

    • Erasable 擦除：用强紫外线照射足够长时间
    • Electrically erasable 电擦除：用高于正常值电压擦除
    • Flash (as in Flash Memory) 可以擦除指定若干个浮动栅极存储的电荷

    Storage elements(as in a memory)

Characteristic

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Configuration

  1. ROM(Read Only Memory)：a fixed array of AND gates and a programmable array of OR gates 固定与阵列，可编程或阵列

    • 非易失性

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    • ROM size=address width × word width = \(2^2 ×4\)= 16 bit

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  2. Programmable Array Logic (PAL) - a programmable array of AND gates feeding a fixed array of OR gates.

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    输出侧或门阵列固定，输入侧与门阵列可编程

    缺点：输入数量有限，不一定能够完备表达函数

    改进：通过将一个既有的 PAL 输出当作输入，输入到另外一个函数中，来弥补项不足的问题。

  3. Programmable Logic Array (PLA) - a programmable array of AND gates feeding a programmable array of OR gates.

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  1. 可编程与阵列输入，可编程或阵列输出

    • 与 PAL 的区别在于，在输出的时候也能对输出组合进行重编程。
    • 其同 PAL 一样具有一个缺陷是，因为表达函数的方法不是通过 SOM 或者 POM 的形式，所以不一定能够完备表达函数。输入
    • 在基础上一个改进是在输出的时候再做一次异或（不用非门体现了可重编程的思想），以产生新的项，来弥补项不足的问题。异或门体现了可控求反。
    • 与项资源有限，需要找到可重用的与项。

  2. 对一个n输入，k乘积项，m输出PLA

    • 在输入和与门阵列之间有\(2n\times k\)个可编程连接点，与门与或门之间有\(k\times m\)个，或门与异或门之间有m个
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FPGA

  1. 包括可编程逻辑块、可编程互联和可编程输入/输出引脚。
  2. FPGA可以配置组合逻辑和触发器，大多使用SRAM进行配置
  3. 可编程逻辑块包括组合和时序逻辑，基于查找表（Look-Up List），一个查找表是一个\(2^k\times1\)存储器
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