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可编程逻辑器件的发展可编程逻辑器件的发展姓名：李雪珍（班级：电子1501学号：1151230119日期：2019-09-05）1.什么是可编程逻辑器件？可编程逻辑器件：英文全称为:programmablelogicdevice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。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统集成在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。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。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。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。2.可编程逻辑器件的优点1)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。2)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。3)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。3.可编程逻辑器件的发展历史1)20世纪70年代a)PROM（只读存储器）(ProgrammableReadonlyMemory)：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。每个集成电路芯片具有特定的逻辑功能，使用方法简单，但不足之处是器件功能灵活性差，对于较大的数字系统，往往需要几十甚至几百个集成电路芯片，这对于减少数字系统的体积、降低功耗不利。因此，标准化的通用数字集成电路器件难于满足整机用户对系统成本、可靠性、保密性及提高产品的性能价格比的要求b)PLA（可编程逻辑阵列器件）(ProgrammableArrayLogic)：PLA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。PLA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。PLA器件的特点是其与阵列和或阵列均可编程，输出电路固定。虽然PLA器件使用比标准器件要灵活得多，可编程逻辑器件的发展但门的利用率不够高，且缺少高质量的支持软件和编程工具，因而没有得到广泛的应用。c)PAL（可编程阵列逻辑器件）(GenericArrayLogic)：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。PAL器件既有现场可编程的,也有掩膜可编程的。在PLA器件基础上发展起来的PAL器件，其特点是与阵列可编程、或阵列固定，输出电路固定，输出电路有组合输出方式，也有寄存器输出方式。PAL器件与标准逻辑器件相比较，它具有较高的集成度，节省了电路板的空间，通常一片PAL器件可代替4～12片SSI或者2～4片MSI；提高了工作速度和设计的灵活性；有加密功能，可防止非法复制；使用方便。但其固定的输出结构降低了编程的灵活性，双极性熔丝工艺一旦编程以后不能修改。2)80年代a)GAL（通用阵列逻辑(GenericArrayLogic)）：在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL(GenericArrayLogic)，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。为了提高输出电路结构的灵活性及可多次编程修改，GAL(GenericArrayLogic)器件与PAL的最大区别在于将原来的固定输出结构变为可编程的输出逻辑宏单元(OutputLogicMacroCell，OLMC)。通过对OLMC的编程，可方便地实现组合逻辑电路输出或者寄存器输出结构，且这类器件采用电擦除CMOS工艺，通常可擦除几百次甚至上千次。正是由于GAL器件的通用性和能重复擦写等突出优点，在20世纪90年代得到了广泛的应用。但GAL器件在集成度上仍与PAL器件类似，它无法满足较大数字系统的设计要求。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。b)FPGA（现场可编程门阵列）(FieldProgrammableGateArray)：现场可编程门阵列FPGA的电路结构与CPLD完全不同，它内部单元主要有可编程的逻辑块(CLB)、可编程的输入输出单元(IOB)及可编程的互联资源(IR)。重复可编程的FPGA采用SRAM编程技术，其逻辑块采用查找表(LUTLook-UpTable)方式产生所要求的逻辑函数。由此带来的优点是其无限次可重复快速编程能力和在系统可重复编程能力，但基于SRAM的器件是易失性的，因此上电后，要求重新配置。c)CPLD（可擦除的可编程逻辑器件）(EraseProgrammableLogicDevice)：复杂的可编程逻辑器件CPLD，其器件内部包含可编程的逻辑宏单元、可编程的I/O单元及可编程的内部连线等。每个可编程的逻辑单元即逻辑块相当于一个GAL器件，多个逻辑块之间通过可编程的内部连线实现相互连接，从而实现各个逻辑块之间的资源共享。CPLD器件允许系统具有更多的输入、输出信号，因此，CPLD能满足较大数字系统的设计要求，且具有高速度、低功耗、高保密性等优点。可编程逻辑器件的发展4.可编程逻辑器件分类（1）按集成度进行分类（2）从结构上分类乘积项结构:基本结构为“与或阵列”，大部分简单PLD和CPLD都属于此范畴。查找表结构：由简单的查找表组成可编程门，再构成阵列形式，大多数FPGA属于此类器件。5.可编程逻辑器件的发展现状目前可编程逻辑器件的发展主要体现在以下几点：低密度PLD在一定时间内还存在一定时期；高密度PLD继续向更高密度更大容量迈进。具体体现在:1、PLD正在由5V电压向低电压2.5V器件演进，这样有利于降低功耗。2、ASIC和PLD相互融合。3、ASIC和FPGA之间的界限正变的模糊。4、集成度不断提高。微细化新工艺的推出以及市场的需求是集成度不断提高的基础和动力。许多公司在新技术的推动下，产品集成度迅速提高，尤其是近几年的迅速发展，其集成度已经达到了1000万门，现在有的PLD则达到了几百万系统门甚至一千万系统门。5、向系统级发展。现在已经逐渐把DSP(数字信号处理器)、MCU（微控制器）、存储器及应用接口等集成到PLD中，使得PLD的功能大大增强。可编程逻辑器件的发展6.总结特点器件公司集成度阵列（输入）输出电路功能与优点缺点与上比较与或PROM低密度固定可编程特定的逻辑功能器件功能灵活性差难于满足整机用户对系统成本、可靠性、保密性及提高产品的性能价格比的要求PLA低密度可编程可编程固定现场可编程的，反熔丝技术、EPROM、EEPROM技术门的利用率不够高，缺少高质量的支持软件和编程工具比标准器件要灵活得多PALAMD低密度可编程固定固定（组合输出方式+寄存器输出方式）现场可编程+掩膜可编程固定的输出结构降低了编程的灵活性，双极性熔丝工艺一旦编程以后不能修改。1.具有较高的集成度，节省了电路板的空间，2.提高了工作速度和设计的灵活性3.有加密功能，可防止非法复制；GALLattice低密度可编程固定可编程的输出逻辑宏单元采用了EEPROM工艺，实现了电可按除、电可改写在集成度上与PAL器件类似，无法满足较大数字系统的设计要求。1.固定输出结构变为可编程的输出逻辑宏单元2.电擦除CMOS工艺FPGAXilinx高密度简单的查找表组成可编程门，再构成阵列形式逻辑块采用查找表方式采用SRAM编程技术，其逻辑块采用查找表方式产生所要求的逻辑函数，实现无限次可重复快速编程能力和在系统可重复编程基于SRAM的器件是易失性的，因此上电后，要求重新配置。与CPLD完全不同，它内部单元主要有可编程的逻辑块(CLB)、可编程的输入输出单元(IOB)及可编程的互联资源(IR)CPLDLattice高密度可编程的I/O单元+可编程的内部连线，CPLD器件允许系统具有更多的输入、输出信号可编程的逻辑宏单元满足较大数字系统的设计要求，且具有高速度、低功耗、高保密性等优点。每个可编程的逻辑单元即逻辑块相当于一个GAL器件，多个逻辑块之间通过可编程的内部连线实可编程逻辑器件的发展现相互连接，从而实现各个逻辑块之间的资源共享。7.结束语随着电子技术的高速发展，PLD的开发软件已经相当完善。可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或用硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力来随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言的进步。同时，复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）在集成度、功能和性能（速度及可靠性）方面也已经能够满足大多数场合的使用要求。用CPLD、FPGA等大规模可编程逻辑器件取代传统的标准集成电路、接口电路和专用集成电路已成为技术发展的必然趋势，可以预言的是今后将会出现新的CPLD/FPGA的应用热潮。