可編程邏輯器件的發(fā)展歷程及概述

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。



典型的PLD的部分結構（實(shí)現組合邏輯的部分）
       
為了彌補這一缺陷,20世紀80年代中期。 Altera和Xilinx分別推出了類(lèi)似于PAL結構的擴展型 CPLD(Complex Programmab1e 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。
       
（注：不同廠(chǎng)家的叫法不盡相同,Xilinx把,基于查找表技術(shù),SRAM工藝,要外掛配置用的EEPROM的PLD叫FPGA;把基于乘積項技術(shù),Flash（類(lèi)似EEPROM工藝）工藝的PLD叫CPLD; Altera 把自己的PLD產(chǎn)品:MAX系列（乘積項技術(shù),EEPROM工藝）,FLEX系列（查找表技術(shù),SRAM工藝）都叫作CPLD,即復雜PLD(Complex PLD),由于FLEX系列也是SRAM工藝,基于查找表技術(shù),要外掛配置用的EPROM,用法和Xilinx的FPGA一樣,所以很多人把Altera的FELX系列產(chǎn)品也叫做FPGA.）



8寸硅晶片,每一個(gè)小方格經(jīng)過(guò)切割,封裝后就是一片芯片
       
FPGA／CPLD 概述
       
FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)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(lái)的。同以往的PAL,GAL等相比較,FPGA／CPLD的規模比較大,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(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。當然還有許多其它類(lèi)型器件,如：Lattice,Vantis,Actel,Quicklogic,Lucent等。
1998年世界十大PLD公司



盡管FPGA,CPLD和其它類(lèi)型PLD的結構各有其特點(diǎn)和長(cháng)處,但概括起來(lái),它們是由三大部分組成的：

一個(gè)二維的邏輯塊陣列,構成了PLD器件的邏輯組成核心。輸入／輸出塊：連接邏輯塊的互連資源。連線(xiàn)資源：由各種長(cháng)度的連線(xiàn)線(xiàn)段組成,其中也有一些可編程的連接開(kāi)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(xiàn)資源黃色：輸入輸出塊對用戶(hù)而言,CPLD與FPGA的內部結構稍有不同,但用法一樣,所以多數情況下,不加以區分。
       
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(zhù)VlSI(Very Large Scale IC,超大規模集成電路)工藝的不斷提高單一芯片內部可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管, FPGA／CPLD芯片的規模也越來(lái)越大,其單片邏輯門(mén)數已達到上百萬(wàn)門(mén),它所能實(shí)現的功能也越來(lái)越強,同時(shí)也可以實(shí)現系統集成。
      
FPGA／CPLD芯片在出廠(chǎng)之前都做過(guò)百分之百的測試,不需要設計人員承擔投片風(fēng)險和費用,設計人員只需在自己的實(shí)驗室里就可以通過(guò)相關(guān)的軟硬件環(huán)境來(lái)完成芯片的最終功能設計。所以, FPGA／CPLD的資金投入小,節省了許多潛在的花費。
      
用戶(hù)可以反復地編程、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(chǎng)。 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(xiàn)產(chǎn)品,電路設計人員在很短的時(shí)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(dòng)時(shí),更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢。電路設計人員使用FPGA／CPLD進(jìn)行電路設計時(shí),不需要具備專(zhuān)門(mén)的IC(集成電路)深層次的知識, FPGA／CPLD軟件易學(xué)易用,可以使設計人員更能集中精力進(jìn)行電路設計,快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。