有關(guān)可編程邏輯器件的發(fā)展歷程及其概述

當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會。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(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)體廠商來獨(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)場可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列(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，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。

其后，出現(xiàn)了一類結(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”門和一個(gè)“或”門陣列組成，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(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GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工藝，實(shí)現(xiàn)了電可按除、電可改寫，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，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的電路。

典型的PLD的部分結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)組合邏輯的部分）

為了彌補(bǔ)這一缺陷，20世紀(jì)80年代中期。 Altera和Xilinx分別推出了類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的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。與門陣列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它們又具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(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)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用FPGA和CPLD器件。

FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)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(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的?？梢灾vAltera和Xilinx共同決定了PLD技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)然還有許多其它類型器件，如：Lattice，Vantis，Actel，Quicklogic，Lucent等。

盡管FPGA,CPLD和其它類型PLD的結(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)和長處，但概括起來，它們是由三大部分組成的，一個(gè)二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成了PLD器件的邏輯組成核心?！ぽ斎耄敵鰤K：·連接邏輯塊的互連資源。連線資源：由各種長度的連線線段組成，其中也有一些可編程的連接開關(guān)，它們用于邏輯塊之間、邏輯塊與輸入／輸出塊之間的連接。

典型的PLD的框圖

蘭色：邏輯單元 紅色：連線資源 黃色：輸入輸出塊

對用戶而言，CPLD與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VlSI(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)部可以容納上百萬個(gè)晶體管， FPGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達(dá)到上百萬門，它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

· FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，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)室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設(shè)計(jì)。所以， FPGA／CPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)。

· 用戶可以反復(fù)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(shí)現(xiàn)不同的功能。所以，用FPGA／PLD 試制樣片，能以最快的速度占領(lǐng)市場。 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)電路有少量改動時(shí)，更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢。電路設(shè)計(jì)人員使用FPGA／CPLD進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需要具備專門的IC(集成電路)深層次的知識， FPGA／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。