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浅谈可编程逻辑器件的发展历程

2013-01-10 00:30
苏子言岁月
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  当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC,几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是,随着微电子技术的发展,设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片,而且希望ASIC的设计周期尽可能短,最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片,并且立即投入实际应用之中,因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD),其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。

  早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制,它们只能完成简单的数字逻辑功能。

  其后,出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片,即可编程逻辑器件(PLD),它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成,而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述,所以, PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。

  这一阶段的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。 PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成,或门的输.出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。 PAL器件是现场可编程的,它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA),它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成,但是这两个平面的连接关系是可编程的。 PLA器件既有现场可编程的,也有掩膜可编程的。  在PAL的基础上,又发展了一种通用阵列逻辑GAL (Generic Array Logic),如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工艺,实现了电可按除、电可改写,其输出结构是可编程的逻辑宏单元,因而它的设计具有很强的灵活性,至今仍有许多人使用。 这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。

典型的PLD的部分结构(实现组合逻辑的部分)

▲ 典型的PLD的部分结构(实现组合逻辑的部分)

  为了弥补这一缺陷,20世纪80年代中期。 Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。 这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比,它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。

  (注:不同厂家的叫法不尽相同,Xilinx把,基于查找表技术,SRAM工艺,要外挂配置用的EEPROM的PLD叫FPGA;把基于乘积项技术,Flash(类似EEPROM工艺)工艺的PLD叫CPLD; Altera 把自己的PLD产品:MAX系列(乘积项技术,EEPROM工艺),FLEX系列(查找表技术,SRAM工艺)都叫作CPLD,即复杂PLD(Complex PLD),由于FLEX系列也是SRAM工艺,基于查找表技术,要外挂配置用的EPROM,用法和Xilinx的FPGA一样,所以很多人把Altera的FELX系列产品也叫做FPGA.)

8寸硅晶片,每一个小方格经过切割,封装后就是一片芯片

▲  8寸硅晶片,每一个小方格经过切割,封装后就是一片芯片

  FPGA/CPLD 概述

  FPGA(现场可编程门阵列)与 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件,它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL,GAL等相比较,FPGA/CPLD的规模比较大,它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展,许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列,它们开发较早,占用了较大的PLD市场。通常来说,在欧洲用Xilinx的人多,在日本和亚太地区用ALTERA的人多,在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。当然还有许多其它类型器件,如:Lattice,Vantis,Actel,Quicklogic,Lucent等。 (99年Lattice收购了Vantis,成为第三大PLD供应商;同年Xilinx收购了Philips的PLD部门)

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