可编程逻辑器件应用前景探讨

重庆大学电气工程学院 黄克初 刘晓 明 安 敏

　　一、可编程逻辑器的发展

可编程逻辑器(PLD)是70年代发展起来的一种划时代的新型逻辑器件，一般来说，PLD器件是由用户配置以完成某种逻辑功能的电路。PLD器件自问世以来，制造工艺上采用TTL、CMOS、ECL及静态RAM技术，器件类型有PROM、EPROM、E2PROM、FPLA、PA L、GAL、PML及LCA等，PLD在性能和规模上的发展，主要依赖于制造工艺的不断改进，高密 度PLD是VLSI集成工艺高度发展的产物。80年代末，美国ALTERA和XILINX公司采用EECMOS工艺，分别推出大规模和超大规模的复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程逻辑门阵列器件(FPGA)，这种芯片在达到高度集成度的同时，所具有的应用灵活性和多组态功能是以往的LSI/VLSI电路无法比拟的。

到90年代，CPLD/FPGA发展更为迅速，不仅具有电擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线编 程等高级特性。另外，外围I/O模块扩大了在系统中的应用范围和扩展性。较常用的有XILIN X公司的EPLD和ALTERA及LATTICE公司的CPLD。1992年LATTICE公司率先推出ISP(In-System P rogrammability)，并推出ISP_LSI1000系列高密度ISP器件。1998年HDPLD的主流产品集成 度约为1～3万门，同时25万门产品开始面世，1999年产品集成度40万门，2000年已经出现了容量为200万门的产品。

PLD器件目前正朝着更高速、更高集成度、更强功能和更灵活的方向发展，它不仅已成为标准逻辑器件的一个强有力的竞争对手，也成为掩膜式专用集成电路的竞争者。

二、PLD在电子领域中的应用

1.PLD在ASIC设计中的应用

把一个有专用目的，并具有一定规模的电路或子系统集成化而设计在一芯片上，这就是专用 集成电路ASIC的设计任务，通常ASIC的设计要么采用全定制电路设计方法，要么采用半定制电路设计方法进行检验，若不满足要求，还要重新设计再进行验证。这样，不但开发费用高 ，而且设计开发周期长，因此设计出的产品性价比不高，显然，产品没有市场竞争力，自然 就降低了产品的生命周期，而传统的ASIC设计方法来说，这又是不可避免的。

随着设计方法的不断完善，不仅需要简化设计过程，而且，越来越需要降低系统体积和成本 ，提高系统的可靠性，缩短研制周期，于是希望有一种由很多厂家都可提供的，具有一定连线的结构和已封装好的全功能的标准电路。由于共同性强，用量大，所以成本也不高。这种器件可以由用户根据需要自行完成编程设计工作，用某种编程技术自己“烧制”使内部电 路结构实现再连接，也就是说用户既是使用者又是设计者和制造者，这种器件就是PLD，它的引入就形成了半定制电路设计方法的可编程ASIC。

目前，HDPLD有两种用途：一是用于最终产品；一是用于ASIC化的前道工序的开发试制品。C PLD/FPGA在国际上现已成为很流行的标准化IC芯片，从我国的国情来看，将CPLD/FPGA用于A SIC原形设计会得到大力推广。

2.基于EDA的CPLD/FPGA应用

电子产品的高度集成数字化是必由之路，我国的电子设计技术经过了SSI和MCU阶段，现在又 面临一次新突破即CPLD/FPGA在EDA基础上的广泛应用。如果说MCU在逻辑的实现上是无 限的话，那么CPLD/FPGA不但包括了MCU这一特点，而且可触及硅片电路的物理界限，并兼有串、并行工作方式，高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点。不但如此，随着 EDA技术的发展和CPLD/FPGA在深亚微米领域的应用，它们与MCU、MPU、DSP、A/D、D/A、RAM 及ROM等器件间物理与功能界限已日益模糊。特别是软/硬IP芯核产业的迅速发展，嵌入式通用及标准FPGA器件，片上系统(SOC)，1999年底已经上市。CPLD/FPGA以其不可替代的地位 以及伴随而来的具有经济特征的IP芯核产业的崛起，正越来越受到业内人士的观注。

基于EDA技术的发展，CPLD/PFGA与其他MCU相比，其优点越来越明显。PLD/FPGA产品采用先进的JTAG-ISP和在系统配制编程，这种编程方式可轻易地实现红外线编程、超声编程或无线编程，或通过电话线远程编程，编程方式简便、先进。这些功能在工控、智能仪表、通信和军事上有特别用途。CPLD/FPGA的设计开发采用功能强大的EDA工具，通过符合国际标准的硬件描述语言(如VHDL或VERILOG-HDL)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CPLD/FPGA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。可以预言我国的EDA技术学习和CPLD/FPGA的应用热潮决不会逊色于过去10年的单片机热潮。

可编程逻辑器件一开始主要用于通信领域。它的优势在于缩短开发生产周期，现场灵活性好 ，适于少量生产，不足之处是价格昂贵，适用于中小批量生产，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。目前PLD/CPLD约占全球市场规模的6成 ，但今后FPGA的比重将日益增大。
 

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