PLD/FPGA入門(mén)，新手必備基礎知識

　　簡(jiǎn)介：PLD是可編程邏輯器件(Programable Logic Device)的簡(jiǎn)稱(chēng)，FPGA是現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programable Gate Array)的簡(jiǎn)稱(chēng)，兩者的功能基本相同，只是實(shí)現原理略有不同，所以我們有時(shí)可以忽略這兩者的區別，統稱(chēng)為可編程邏輯器件或PLD/FPGA。 PLD是電子設計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù)，它的影響絲毫不亞于70年代單片機的發(fā)明和使用。

　　PLD能做什么呢?可以毫不夸張的講，PLD能完成任何數字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡(jiǎn)單的74電路，都可以用PLD來(lái)實(shí)現。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過(guò)傳統的原理圖輸入法，或是硬件描述語(yǔ)言自由的設計一個(gè)數字系統。通過(guò)軟件仿真，我們可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用PLD的在線(xiàn)修改能力，隨時(shí)修改設計而不必改動(dòng)硬件電路。使用PLD來(lái)開(kāi)發(fā)數字電路，可以大大縮短設計時(shí)間，減少PCB面積，提高系統的可靠性。 PLD的這些優(yōu)點(diǎn)使得PLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時(shí)也大大推動(dòng)了EDA軟件和硬件描述語(yǔ)言(HDL)的進(jìn)步。

　　如何使用PLD呢?其實(shí)PLD的使用很簡(jiǎn)單，學(xué)習PLD比學(xué)習單片機要簡(jiǎn)單的多，有數字電路基礎，會(huì )使用計算機，就可以進(jìn)行PLD的開(kāi)發(fā)。不熟悉PLD的朋友，可以先看一看可編程邏輯器件的發(fā)展歷程。當今社會(huì )是數字化的社會(huì )，是數字集成電路廣泛應用的社會(huì )。數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、小中規模集成電路、發(fā)展到超大規模集成電路(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(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，設計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導體廠(chǎng)商來(lái)獨立承擔。系統設計師們更愿意自己設計專(zhuān)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(shí)驗室里就能設計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應用之中，因而出現了現場(chǎng)可編程邏輯器件(FPLD)，其中應用最廣泛的當屬現場(chǎng)可編程門(mén)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(xiàn)可按除只讀存貯器(EPROM)和電可擦除只讀存貯器(EEPROM)三種。由于結構的限制，它們只能完成簡(jiǎn)單的數字邏輯功能。 其后，出現了一類(lèi)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器件是現場(chǎng)可編程的，它的實(shí)現工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)。還有一類(lèi)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(gè)“與”平面和一個(gè)“或”平面構成，但是這兩個(gè)平面的連接關(guān)系是可編程的。PLA器件既有現場(chǎng)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GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工藝，實(shí)現了電可按除、電可改寫(xiě)，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(gè)共同特點(diǎn)是可以實(shí)現速度特性較好的邏輯功能，但其過(guò)于簡(jiǎn)單的結構也使它們只能實(shí)現規模較小的電路。

　　為了彌補這一缺陷，lATTICE推出了類(lèi)似于PAL結構的擴展型CPLD(ComplexProgrammab1e Logic Dvice)和與標準門(mén)陣列類(lèi)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(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)現較大規模的電路，編程也很靈活。與門(mén)陣列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它們又具有設計開(kāi)發(fā)周期短、設計制造成本低、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標準產(chǎn)品無(wú)需測試、質(zhì)量穩定以及可實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢驗等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應用于產(chǎn)品的原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應用門(mén)陣列、PLD和中小規模通用數字集成電路的場(chǎng)合均可應用FPGA和CPLD器件。