第1章EDA與可編程器件概述

1.1 可編程芯片技術的發展

當今社會是數字化的社會，是數字集成電路廣泛應用的社會。計算機、通信網絡設備、移動電話、數字電視，各種自動化設備都要用到數字集成電路。與此同時，數字集成電路本身也在不斷地進行更新換代。它由早期的小規模集成電路發展到超大規模集成電路，而按照摩爾效應的規律，超大規模集成電路的集成度正在不斷刷新。目前正向著低電壓、低功耗、高速度邁進。

在集成電路開發的過程中，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，并且立即投入到實際應用中，于是，出現了現場可編程邏輯器件（FPLD）。其中應用最廣泛的當屬現場可編程門陣列（FPGA）和復雜可編程邏輯器件（CPLD）。

可編程邏輯器件（PLD）能夠完成各種數字邏輯功能。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。

早期的可編程邏輯器件規模非常小，只有用熔絲方式才能得到可編程性能，且只能編程一次，后來開發出了紫外線可擦除只讀存儲器（EPROM）和電可擦除只讀存儲器（EEPROM）。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器有選擇地被置為寄存狀態。PAL器件是現場可編程的，它的實現工藝有反熔絲技術、EPROM技術和EEPROM技術等。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器件既有現場可編程的，又有掩膜可編程的。在PAL的基礎上，又開發了一種通用陣列邏輯（Generic Array Logic，GAL），它采用EEPROM工藝，實現了電可擦除、電可改寫，其輸出結構是可編程的邏輯宏單元，因此它的設計具有很強的靈活性。

早期的PLD器件可以實現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規模較小的電路。20世紀80年代中期，Altera和Xilinx分別推出了類似于PAL結構的擴展型EPLD（Erasable Programmable Logic Device）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。與門陣列等其他ASIC相比，它們又具有設計開發周期短、設計制造成本低、開發工具先進、標準產品無須測試、質量穩定以及可實時在線檢驗等優點，因此被廣泛應用于產品的原型設計。