11208103-13-杨智宇-专题报告-认识可编程逻辑器件.doc

多学时电子技术专题报告时间：2014春季学期 班级：11208103学号：1120810313 姓名：杨智宇认识可编程逻辑器件 摘要：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)。 关键词：可编程逻辑器件，PLD，集成电路，数字化1、 编程逻辑器件 英文全称为：programmable logic device 即 PLD。PLD是做为一种通用集成电路产生的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。PLD与一般数字芯片不同的是：PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定，有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行变更、改变，而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路，无法在出厂后再次改变，事实上一般的模拟芯片、混讯芯片也都一样，都是在出厂后就无法再对其内部电路进行调修。现以Xilinx、Altera、Lattice为主要厂商，生产的FPGA单片可达上千万门、速度可实现550MHz，采用65nm甚至更高的光刻技术。 可编程逻辑器件的分类 逻辑器件可分为两大类 - 固定逻辑器件和可编程逻辑器件。 一如其名，固定逻辑器件中的电路是永久性的，它们完成一种或一组功能 - 一旦制造完成，就无法改变。 另一方面，可编程逻辑器件（PLD）是能够为客户提供范围广泛的多种逻辑能力、特性、速度和电压特性的标准成品部件 - 而且此类器件可在任何时间改变，从而完成许多种不同的功能。 对于固定逻辑器件，根据器件复杂性的不同，从设计、原型到最终生产所需要的时间可从数月至一年多不等。 而且，如果器件工作不合适，或者如果应用要求发生了变化，那么就必须开发全新的设计。 设计和验证固定逻辑的前期工作需要大量的“非重发性工程成本”，或NRE。 NRE表示在固定逻辑器件最终从芯片制造厂制造出来以前客户需要投入的所有成本，这些成本包括工程资源、昂贵的软件设计工具、用来制造芯片不同金属层的昂贵光刻掩模组，以及初始原型器件的生产成本。 这些NRE成本可能从数十万美元至数百万美元。对于可编程逻辑器件，设计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发、仿真和测试其设计。 然后，可快速将设计编程到器件中，并立即在实际运行的电路中对设计进行测试。 原型中使用的PLD器件与正式生产最终设备（如网络路由器、ADSL调制解调器、DVD播放器、或汽车导航系统）时所使用的PLD完全相同。 这样就没有了NRE成本，最终的设计也比采用定制固定逻辑器件时完成得更快。采用PLD的另一个关键优点是在设计阶段中客户可根据需要修改电路，直到对设计工作感到满意为止。 这是因为PLD基于可重写的存储器技术-要改变设计，只需要简单地对器件进行重新编程。 一旦设计完成，客户可立即投入生产，只需要利用最终软件设计文件简单地编程所需要数量的PLD就可以了。可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（PLD）。 在这两类可编程逻辑器件中，FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。 现在最新的FPGA器件，如Xilinx Virtex系列中的部分器件，可提供八百万系统门（相对逻辑密度）。 这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器（如IBM Power PC）、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（device-to-device）信号技术。 FPGA被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储，以及到仪器仪表、电信和数字信号处理等。与此相比，PLD提供的逻辑资源少得多 - 最高约1万门。 但是，PLD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PLD器件需要的功耗极低二、可编程逻辑器件的发展历史 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。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。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。 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。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。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。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，FPGACPLD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FPGACPLD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。典型的PLD的框图 三、可编程逻辑器件的应用 现在，随着集成电路和计算机技术的飞速发展，电子设计自动化(EDA，ElectronicsDesignAutomation)以计算机的硬件和软件为基本的工作平台，集成图形学、计算数学、数据库、图论与拓扑逻辑和优化理论等诸多学科上的最新研究成果，已经发展成为可以代替设计者完成电子系统设计的重要工具。电子设计自动化系统包含专用集成电路(ASIC，ApplicationSpecificIntegratedCircuits)、数字信号处理(DSP，DigitalSignalProcessor)和单片机等方向，其中数字专用集成电路的一个重要分支就是可编程逻辑器件。可编程逻辑器件是厂家作为一种通用性器件生产的半定制电路，用户可以通过对器件编程来实现所需要的功能。它设计成本低、使用灵活、研制周期短、可靠性高，受到了越来越多的系统设计工程师的青睐。可编程逻辑器件按照结构的复杂程度不同可以分为简单可编程逻辑器件和高密度可编程逻辑器件。高密度可编程逻辑器件又可分为复杂可编程逻辑器件(CPLD，ComplexProgrammableLogicDevice)与现场可编程门阵列(FPGA，FieldProgrammableGateAr-ray)。它们的出现和应用，不仅极大推动了微电子技术的发展，全面提高了数字系统的性能，而且，对电路器件和系统的结构与设计方法也产生了非常大的影响。由于CPLD与FPGA逻辑器件可以将原来的电路板及设计集成为芯片及设计，从而具有了多方面的优势，成为设计者研制开发的理想器件，特别适合于产品样机的开发和小批量的生产。熟练掌握CPLD与FPGA逻辑器件技术已经成为对系统设计工程师的基本要求。FPGA是Xilinx公司于1985年首次推出的，它采用了CMOSSRAM工艺，其内部结构是由多个独立的可编程逻辑模块(CLB)组成，逻辑模块之间可以通过连线灵活地互连。FPGA需要从外部加载配置数据，配置数据一般存储在片外存储器或是计算机上。设计者可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，故称为现场可编程门阵列。CPLD是在20世纪80年代末期在系统可编程(ISP，InSystemProgrammability)技术出现以后，在可擦除可编程逻辑器件(EPLD，ErasablePLD)的基础上发展起来的。它采用了E2CMOS工艺，与简单可编程逻辑机器相比增加了许多内部资源，对逻辑宏单元和I0模块也有较大的改进。目前，CPLD与FPGA逻辑器件正向着低电压、低功耗、系统内可重构和高速可预测延时器件的方向发展，很多生产厂商不断采用多种新技术、新工艺来提高CPLD与FPGA逻辑器件的容量，增强软件的功能。相信在不久的将来，CPLD与FPGA会成为系统级平台设计的首选，在通信、自动控制、信息处理等诸多领域发挥更加重要的作用。4、 可编程逻辑器件的特点 固定逻辑器件和PLD各有自己的优点。 例如，固定逻辑设计经常更适合大批量应用，因为它们可更为经济地大批量生产。 对有些需要极高性能的应用，固定逻辑也可能是最佳的选择。然而，可编程逻辑器件提供了一些优于固定逻辑器件的重要优点，包括：PLD在设计过程中为客户提供了更大的灵活性，因为对于PLD来说，设计反复只需要简单地改变编程文件就可以了，而且设计改变的结果可立即在工作器件中看到。PLD不需要漫长的前置时间来制造原型或正式产品 - PLD器件已经放在分销商的货架上并可随时付运。 PLD不需要客户支付高昂的NRE成本和购买昂贵的掩模组- PLD供应商在设计其可编程器件时已经支付了这些成本，并且可通过PLD产品线延续多年的生命期来分摊这些成本。 PLD允许客户在需要时仅订购所需要的数量，从而使客户可控制库存。 采用固定逻辑器件的客户经常会面临需要废弃的过量库存，而当对其产品的需求高涨时，他们又可能为器件供货不足所苦，并且不得不面对生产延迟的现实。PLD甚至在设备付运到客户那儿以后还可以重新编程。 事实上，由于有了可编程逻辑器件，一些设备制造商至今正在尝试为已经安装在现场的产品增加新功能或者进行升级。 要实现这一点，只需要通过因特网将新的编程文件上载到PLD就可以在系统中创建出新的硬件逻辑。五、发展前景 过去几年时间里，可编程逻辑供应商取得了巨大的技术进步，以致至今PLD被众多设计人员视为是逻辑解决方案的当然之选。 能够实现这一点的重要原因之一是象Xilinx这样的PLD供应商是无晶圆制造厂企业，并不直接拥有芯片制造工厂，Xilinx将芯片制造工作外包给IBM Microelectronics 和 UMC这样的主要业务就是制造芯片的合作伙伴。 这一策略使Xilinx可以集中精力设计新产品结构、软件工具和IP核心，同时还可以利用最先进的半导体制造工艺技术。 先进的工艺技术在一系列关键领域为PLD提供了帮助：更快的性能、集成更多功能、降低功耗和成本等。 至今Xilinx采用先进的0.13um 低K铜金属工艺生产可编程逻辑器件，这也是业界最好的工艺之一。 例如，仅仅数年前，最大规模的FPGA器件也仅仅为数万系统门，工作在40 MHz。 过去的FPGA也相对较贵，当时最先进的FPGA器件大约要150美元。 然而，今天具有最先进特性的FPGA可提供百万门的逻辑容量、工作在300 MHz，成本低至不到10美元，并且还提