可编程逻辑器件的发展与应用

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

Abstract. (1)

Key Words (1)

引言 (1)

1.可编程逻辑器件的发展 (1)

1.1可编程逻辑器件的历史演变见 (1)

1.2 FPGA和CPLD的概况 (2)

1.3 FPGA 和CPLD的对比 (3)

2.可编程逻辑器件的应用 (4)

2.1 PLD在专用集成电路设计中的应用 (5)

2.2 基于EDA工具的PLD应用 (5)

3.结语 (6)

致谢 (6)

参考文献 (6)

可编程逻辑器件的发展与应用

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摘要：首先介绍了可编程逻辑器件的发展历程，就其不同分类，对不同的器件做简单的介绍，然后介绍了可编程逻辑器件在专用集成设计中和基于EDA工具的应用，最后对可编程逻辑器件的未来做简明的展望。

关键词：可编程逻辑器件；PLD；FPGA；CPLD；发展；应用

Programmable logic devices of development and application Abstract：This paper introduces the programmable logic device, the development of different classification, for different devices do simply introduced, and then introduced the programmable logic devices in daily life and industrial production, finally the application of programmable logic devices future prospects of concise.

Key Words: Programmable logic devices, PLD, The FPGA, CPLD, Development, application

引言

数字电路由早期的电子管、晶体管、中小规模集成电路、发展到超大规模集成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）。在20 世纪80 年代初，随着微电子技术的高速发展，特别是ASIC 的市场需求，出现了现场可编程逻辑器件FPLD(Field ProgrammableLogic Device)，其中应用最广泛的是现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)和复杂可编程逻辑器件CPLD。

1.可编程逻辑器件的发展

1.1可编程逻辑器件的历史演变见

图-1 PLD发展结构示意图

可编程器件按集成度来区分可分为，简单PLD 和复杂PLD。最早的可编程逻辑器件是熔丝编程的只读存贮器PROM，由于结构的限制，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，由于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。这一阶段中的最早产品是可编程逻辑阵列PLA，它由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但这两个平面的连接关系是可编程的（在结构图中常用X 表示）。PLA 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的，虽然利用率高，但运行速度较慢，仅适用于小规模逻辑。

随后出现了可编程阵列逻辑PAL，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E2PROM技术，但由于市场上类型和结构较多，反而给用户带来了使用的不方便和修改不方便，目前已被淘汰。在PAL的基础上，随后发展出了一种通用阵列逻辑GAL(Generic Array Logic)。它采用EEPROM工艺，彻底解决了熔丝型可编程器件的一次可编程问题，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元。由于GAL的设计具有很强的灵活性，所以至今仍被许多人使用。

1.2 FPGA和CPLD的概况

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的特点。这两种器件兼容了简单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ASIC（Application Specific IC）相比，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、质量稳定等优点，用户可以反复地编程、擦除、使用，或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的能以及可实时在线检验。因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。FPGA 和CPLD 由三大部分组成，即一个二维的逻辑块阵列，是PLD 器件的逻辑组成核心；输入/输出块；连接逻辑块的互连资源。连线资源是由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关。它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。

（1）FPGA：即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的

缺点。FPGA 提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器、大容量存储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件信号技术。

（2）CPLD：CPLD即复杂可编程逻辑器件，是一种比PLD复杂的逻辑元件。CPLD 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。与FPGA相比CPLD 提供的逻辑资源少得多，但是CPLD提供了非常好的可预测性，因此对于关键的控制应用非常理想。而且如Xilinx CoolRunner?系列CPLD器件需要的功耗极低，并且价格低廉，从而使其对于成本敏感、电池供电的便携式应用（如移动电话和数字手持助理）非常理想。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系

统”编程）将代码传送。

1.3 FPGA 和CPLD的对比

尽管FPGA 和CPLD 都是可编程ASIC 器件，有很多共同点，但由于CPLD 和FPGA 结构上的差异，具有各自的特点：

（1）FPGA是细粒结构，这意味着每个单元间存在细粒延迟。如果将少量逻辑紧密排列在一起，FPGA 的速度相当快。然而，随着设计密度的增加，信号不得不通过许多开关，路由延迟也快速增加，从而削弱了整体性能。FPGA是“寄存器丰富”型（即其寄存器与逻辑门的比例高），而CPLD正好相反，它是粗粒结构，是“逻辑丰富”型，这意味着进出器件的路径经过较少的开关，相应地延迟也小。因此,与等效的FPGA相比，CPLD可工作在更高的频率，具有更好的性能；

（2）CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀和可预测的，而FPGA 的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性；

（3）CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM或FASTFLASH 技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上，使用方法复杂；

（4）FPGA 的集成度比CPLD 高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现；

（5）一般情况下，CPLD的功耗要比FPGA大且集成度越高越明显；

（6）CPLD 的速度比FPGA 快，并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA 是门级编程，并且CLB之间采用分布式互联，而CPLD是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的；

（7 ）CPLD 更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA 更适合于完成时序逻辑。换句话说，FPGA 更适合于触发器丰富的结构，而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构；

（8）FPGA在编程上比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程；FPGA可在逻辑门下编程，而CPLD 是在逻辑块下编程；

（9）在编程方式上，CPLD 主要是基于E2PROM或FLASH 存储器编程，编程次数可达1 万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。FPGA 大部分是基于SRAM 编程，编程信息在系统断电时丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置；

（10）CPLD 保密性好，FPGA保密性差。总之，CPLD与FPGA由于各自的特点与优势，使得二者在可编程逻辑器件技术的竞争中并驾齐驱，成为两支领导可编程器件技术发展的主要力量。在选择CPLD 还是FPGA 时，可根据不同的技术要求和设计环境做出最佳选择。

对用户而言，CPLD 与FPGA的内部结构确有不同，但随着技术的发展，一些厂家陆续推出了一些新的CPLD 和FPGA，这些产品逐渐模糊了CPLD 和FPGA的区别。例如Altera 的MAXⅡ系列，基于LUT结构，集成配置芯片，在本质上就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置时间极短，上电就可以工作，所以对用户来说，感觉不到配置过程，又与传统的CPLD 一样。

2.可编程逻辑器件的应用

CPID，FPGA是近几年集成电路中发展最快的产品。由于PLD性能的高速发展以及设计人员自身能力的提高，可编程逻辑器件供应商将进一步扩大可编程芯片的领地，将复杂的专用芯片推向高端和超复杂应用。可编程逻辑器件依然是集成电路中最具活力和前途的产业。

CPLD与FPGA在价格、性能、逻辑规模和封装(包括EDA软件性能)等方面各有千秋，面对不同的开发项目，使用者应该作出最佳的选择．表l是对CPLD/FPGA 在各个方面的比较。

表1 CPLD 与FPGA 的区别

PLD发挥它现场可编程的特点、绕过定制集成电路的复杂环节，极大地缩短了新品上市时问，提高了设计和使用的灵活性。通信和网络产品市场是PLD最大的应用市场。因PLD器件工艺复杂同时产品利润高。所以一直以来PLD被认为是

只能应用于高档产品。但是随着半导体工艺的发展。PLD芯片的成本已越来越低。甚至已经可以和AScI芯片和标准集成电路相互竞争。这使得PLD的应用领域不断扩大。这反过来进一步加速了PLD产品的发展。

2.1 PLD在专用集成电路设计中的应用

传统的专用集成电路( A S I C )设计通常采用全定制电路设计方法或半定制电路设计方法进行检验，当不满足要求时，就需要重新设计再行行验证，这就使得设计开发费用较高，研发周期较长，因而从设计出来的产品性价比不高，缺乏市场竞争力，进而无法满足市场的需求。随着微电子技术的高速发展，特别是A S I C的市场需求，迫使产品越来越需要降低系统体积和成本，提高系统可靠性，缩短研发周期等，在这种形势下，一种共同性强，用量大，成本也不高的且具有一定连线的结构和已封装好的全功能的标准电路诞生了，这就是P L D，它使用某种编程技术自己“烧制”使内部电路结构实现再连接，P L D的引入就形成了半定制电路设计方法的可编程A S I C。随着半导体工艺的发展，P L D 芯片的成本已越来越低，甚至已经可以和A S I C芯片的标准集成电路相互竞争，这使得P L D的应用领域不断扩大，反过来这又进一步加速了P L D 产品的发展。

2.2 基于EDA工具的PLD应用

美国A l t e r a公司开发的E D A软件具有功能强大、易学易懂等特点，M a x p l u s Ⅱ和Q u a r t u s Ⅱ分别作为其第三代和第四代开发系统的代表。X i l i n x公司的开发工具功能也十分强大，应用广泛，其中F o u n d a t i o n 系列以及I S E ( I n t e g r a t e d S y n t h e s i sE n v i r o n m e n t ) 都是非常优秀的开发系统。这些E D

A工具在应用于设计百万门级C P L D和F P G A中都起了非常大的作用。C P L D / F P G A的设计开发采用这些功能强大的E D A 工具，通过符合国际标准的硬件描述语言( 如V H D L 或V E R I L O G - H D L ) 来进行电子系统设计和产品开发，开发工具的通用性，设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的C P L D / F P G A 器件的硬件结构没有关系，所以设计成功的逻辑功能软件有很好的兼容性和可移植性，开发周期短; 易学易用，开发便捷等特点。可编程逻辑器件最初主要用于通信领域，其优势在于缩短开发生产周期，现场灵活性好，适于少量生产，但价格稍微昂贵，随着微细化的进步，芯片面积缩小，价格迅速下降，市场发展加快。A c t e l 公司对C P L D / F P G A产品的发展蓝图显示，在未来的几年内，中国的可编程逻辑器件增幅最大的行业是航空航天、通信和消费电子领域，物点是消费电子中的D V D 播放机、游戏机、机顶盒、数字相机和P D A 等，目前是国已成为世界最主要的P L D 制造基地。

3.结语

本文首先介绍了可编程逻辑器件的分类，然后就其发展做了简明的阐述，接着介绍了可编程逻辑器件在专用集成设计中和基于EDA工具的应用。

致谢

衷心感谢我的指导教师,学年论文是在他的悉心关怀和精心指导下完成的。论文中的许多思想和方法得益于导师的指导和启发，从课题研究到审阅本文都倾注了导师巨大的心血。导师渊博的知识、开阔的思路、高度的责任感与严谨的治学作风更是我学习的典范，在此向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢！

参考文献

[1]张文．可编程逻辑器件的发展与应用(第五版)[M]．四川：高等教育出版社：2006．

[2]张勇，何小琦．可编程逻辑器件的应用与设计[M]．广东：清华大学出版社：

1990.15～19．

[3]张文．可编程逻辑器件的发展与应用[J]．大众科技：2006．

[4] 阎石．数字电子技术基础（5版）[M]．北京：高等教育出版社，2005:386～438．

[5]康华光．电子技术基础:数字部分[M]．北京：高等教育出版社，2000:356～377．