可編程邏輯器件概述

張 華

[摘要]簡(jiǎn)述可編程邏輯器件的發(fā)展歷程，并對(duì)期間出現(xiàn)的各種器件的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

[關(guān)鍵詞]可編程邏輯器件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671--7597(2009)1020109－01

當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。數(shù)字集成電路本身在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSIC，幾萬(wàn)門(mén)以上)以及許多具有特定功能的專(zhuān)用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠(chǎng)商來(lái)獨(dú)立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)專(zhuān)用集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存貯器(PROM)、紫外線(xiàn)可按除只讀存貯器(EPROM)和電可擦除只讀存貯器(EEPROM)三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯功能。

其后，出現(xiàn)了一類(lèi)結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件(PLD)，它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。典型的PLD由一個(gè)“與”門(mén)和一個(gè)“或”門(mén)陣列組成，而任意一個(gè)組合邏輯都可以用“與一或”表達(dá)式來(lái)描述，所以，PLD能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。

這一階段的產(chǎn)品主要有PAL(可編程陣列邏輯)和GAL(通用陣列邏輯)。PAL由一個(gè)可編程的“與”平面和一個(gè)固定的“或”平面構(gòu)成，或門(mén)的輸，出可以通過(guò)觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。PAL器件是現(xiàn)場(chǎng)可編程的，它的實(shí)現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)。還有一類(lèi)結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列(PLA)，它也由一個(gè)“與”平面和一個(gè)“或”平面構(gòu)成，但是這兩個(gè)平面的連接關(guān)系是可編程的。PLA器件既有現(xiàn)場(chǎng)可編程的，也有掩膜可編程的。在PAL的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一種通用陣列邏輯GAL(Generic Array Logic)，如GALl6V8，GAL22VIO等。它采用了EEPROMI藝，實(shí)現(xiàn)了電可按除、電可改寫(xiě)，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的PLD器件的一個(gè)共同特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過(guò)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的電路。

為了彌補(bǔ)這一缺陷，20世紀(jì)80年代中期，Altera~Xilinx分別推出了類(lèi)似于PAL結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型CPLD(Complex Programmable Logic Dvice)和與標(biāo)準(zhǔn)門(mén)陣列類(lèi)似的FPGA(Field Programmable Gate Array)，它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)。這兩種器件兼容了PLD和通用門(mén)陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門(mén)陣列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它們又具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用門(mén)陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場(chǎng)合均可應(yīng)用FPGASnCPLD器件。

FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)與CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)都是可編程邏輯器件，它們是在PAL，GAL等邏輯器件的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。同以往的PAL，GAL等相比較，F(xiàn)PGA／CPLD的規(guī)模比較大，它可以替代幾十甚至幾千塊通用Ic芯片。這樣的FPGA／CPLD實(shí)際上就是一個(gè)子系統(tǒng)部件。這種芯片受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。經(jīng)過(guò)了十幾年的發(fā)展，許多公司都開(kāi)發(fā)出了多種可編程邏輯器件。比較典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，它們開(kāi)發(fā)較早，占用了較大的PLD市場(chǎng)。通常來(lái)說(shuō)，在歐洲用Xilinx的人多，在日本和亞太地區(qū)用ALTERA的人多，在美國(guó)則是平分秋色。全球PLD／FPGA產(chǎn)品60％以上是由Altera和Xilinx提供的?？梢灾vAltera~flXilinx共同決定了PLD技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)然還有許多其它類(lèi)型器件，如：Lattice，Vantis，Actel，Ouicklogic，Lucent等。(99~Lattice收購(gòu)了Vantis，成為第三大PLD供應(yīng)商；同年Xilinx收購(gòu)了Philips的PLD部門(mén))

對(duì)用戶(hù)而言，CPLD-~FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)稍有不同，但用法一樣，所以多數(shù)情況下，不加以區(qū)分。FPGA／CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，它們除了具有ASIC的特點(diǎn)之外，還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

隨著VISI(Very Large Scale Ic，超大規(guī)模集成電路)工藝的不斷提高單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管，F(xiàn)PGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來(lái)越大，其單片邏輯門(mén)數(shù)已達(dá)到上百萬(wàn)門(mén)，它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

FPGA／CPLD芯片在出廠(chǎng)之前都做過(guò)百分之百的測(cè)試，不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)人員只需在自己的實(shí)驗(yàn)室里就可以通過(guò)相關(guān)的軟硬件環(huán)境來(lái)完成芯片的最終功能設(shè)計(jì)。所以，F(xiàn)PGA／CPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)。

用戶(hù)可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動(dòng)的情況下用不同軟件就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。所以，用FPGA／PLD試制樣片，能以晟快的速度占領(lǐng)市場(chǎng)。FPGA／CPLD軟件包中有各種輸入工具和仿真工具，及版圖設(shè)計(jì)工具和編程器等全線(xiàn)產(chǎn)品，電路設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢(shì)。電路設(shè)計(jì)人員使用FPGA／CPLD進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需要具備專(zhuān)門(mén)的Ic(集成電路)深層次的知識(shí)，F(xiàn)PGA／CPLD軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計(jì)人員更能集中精力進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。