可編程邏輯器件概述

張 華

[摘要]簡述可編程邏輯器件的發(fā)展歷程，并對期間出現(xiàn)的各種器件的優(yōu)缺點進行分析。

[關鍵詞]可編程邏輯器件

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671--7597(2009)1020109－01

當今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應用的社會。數(shù)字集成電路本身在不斷地進行更新?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，幾萬門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術的發(fā)展，設計與制造集成電路的任務已不完全由半導體廠商來獨立承擔。系統(tǒng)設計師們更愿意自己設計專用集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)，其中應用最廣泛的當屬現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(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。由于結構的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。

其后，出現(xiàn)了一類結構上稍復雜的可編程芯片，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“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與一或”表達式來描述，所以，PLD能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。

這一階段的產品主要有PAL(可編程陣列邏輯)和GAL(通用陣列邏輯)。PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構成，或門的輸，出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。PAL器件是現(xiàn)場可編程的，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術、EPROM技術和EEPROM技術。還有一類結構更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列(PLA)，它也由一個“與”平面和一個“或”平面構成，但是這兩個平面的連接關系是可編程的。PLA器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。在PAL的基礎上，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，實現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結構是可編程的邏輯宏單元，因而它的設計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的PLD器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結構也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。

為了彌補這一缺陷，20世紀80年代中期，Altera~Xilinx分別推出了類似于PAL結構的擴展型CPLD(Complex Programmable Logic Dvice)和與標準門陣列類似的FPGA(Field Programmable Gate Array)，它們都具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。這兩種器件兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它們又具有設計開發(fā)周期短、設計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產品無需測試、質量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應用于產品的原型設計和產品生產(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應用FPGASnCPLD器件。

FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)與CPLD(復雜可編程邏輯器件)都是可編程邏輯器件，它們是在PAL，GAL等邏輯器件的基礎之上發(fā)展起來的。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實際上就是一個子系統(tǒng)部件。這種芯片受到世界范圍內電子工程設計人員的廣泛關注和普遍歡迎。經過了十幾年的發(fā)展，許多公司都開發(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，它們開發(fā)較早，占用了較大的PLD市場。通常來說，在歐洲用Xilinx的人多，在日本和亞太地區(qū)用ALTERA的人多，在美國則是平分秋色。全球PLD／FPGA產品60％以上是由Altera和Xilinx提供的。可以講Altera~flXilinx共同決定了PLD技術的發(fā)展方向。當然還有許多其它類型器件，如：Lattice，Vantis，Actel，Ouicklogic，Lucent等。(99~Lattice收購了Vantis，成為第三大PLD供應商；同年Xilinx收購了Philips的PLD部門)

對用戶而言，CPLD-~FPGA的內部結構稍有不同，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的特點之外，還具有以下幾個優(yōu)點：

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部可以容納上百萬個晶體管，F(xiàn)PGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設計人員承擔投片風險和費用，設計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設計。所以，F(xiàn)PGA／CPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費。

用戶可以反復地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同軟件就可實現(xiàn)不同的功能。所以，用FPGA／PLD試制樣片，能以晟快的速度占領市場。FPGA／CPLD軟件包中有各種輸入工具和仿真工具，及版圖設計工具和編程器等全線產品，電路設計人員在很短的時間內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。當電路有少量改動時，更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢。電路設計人員使用FPGA／CPLD進行電路設計時，不需要具備專門的Ic(集成電路)深層次的知識，F(xiàn)PGA／CPLD軟件易學易用，可以使設計人員更能集中精力進行電路設計，快速將產品推向市場。