1.1.1 PLD的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢

微課1-1

CPLD FPGA的發(fā)展歷程及概述

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計師更愿意自己設(shè)計專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）芯片，而且希望ASIC的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，能立即投入實際應(yīng)用之中。因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件（Field Programmable Logical Device，F(xiàn)PLD），其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gates Array，F(xiàn)PGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logical Device，CPLD）。

早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存儲器（PROM）、紫外線可擦除只讀存儲器（EPROM）和電可擦除只讀存儲器（E2PROM）3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)稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件（Programmable Logical Device，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-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。典型PLD的部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

圖1-1 典型PLD的部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這一階段的產(chǎn)品主要有可編程陣列邏輯（Programmable Array Logic，PAL）和通用陣列邏輯（Generic Array Logic，GAL）。PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“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，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和E2PROM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（Programmable Logic Array，PLA），它也由一個“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(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（Generic Array Logic，GAL），如GAL16V8、GAL22V10等。GAL采用了E2PROM工藝，實現(xiàn)了電可擦除、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(jié)構(gòu)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(jì)80年代中期，Altera公司和Xilinx公司分別推出了類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴展型CPLD和標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的FPGA，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廣等特點。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。和門陣列等其他ASIC相比，又具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無須測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)（一般在10 000件以下）。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。

不同廠家對器件的叫法不盡相同，Xilinx公司把基于查找表技術(shù)的SRAM工藝、要外掛配置用的E2PROM的PLD稱為FPGA；把基于乘積項技術(shù)的Flash（類似E2PROM工藝）工藝的PLD稱為CPLD。Altera把自己的PLD產(chǎn)品，包括MAX系列（乘積項技術(shù)，E2PROM工藝）和FLEX系列（查找表技術(shù)，SRAM工藝）都稱為CPLD，即復(fù)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，其用法和Xilinx公司的FPGA一樣，所以很多人把Altera公司的FLEX系列產(chǎn)品也稱作FPGA。