一、FPGA/CPLD技術(shù)及其發(fā)展歷程

（一）可編程邏輯器件（PLD）

在數(shù)字集成電路中，存在三種基本的器件類型：存儲(chǔ)器、微處理器和邏輯器件。存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)特定的二進(jìn)制信息，如數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容；微處理器用來(lái)執(zhí)行軟件指令，以完成范圍廣泛的任務(wù)，如運(yùn)行文字處理程序或音視頻游戲，而邏輯器件則用來(lái)提供特定的功能，包括數(shù)據(jù)通信、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)顯示、定時(shí)和控制操作等功能。邏輯器件可分為固定邏輯器件和可編程邏輯器件兩大類。固定邏輯器件中的電路是永久性的，這種器件一旦制造完成，其功能就無(wú)法改變，而可編程邏輯器件可在任何時(shí)間改變其功能，且具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。

可編程邏輯器件技術(shù)是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)，它的影響絲毫不亞于20世紀(jì)70年代單片機(jī)的發(fā)明和使用。采用可編程邏輯器件可實(shí)現(xiàn)任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡(jiǎn)單的74系列、CC4000系列，都可以用可編程邏輯器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

不論是簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的數(shù)字器件，都是由基本門電路構(gòu)成的，包括“與”門、“或”門、“非”門等。由基本門電路可構(gòu)成兩類數(shù)字電路，一類是組合電路，另一類是時(shí)序電路。任何組合邏輯都可以化為“與或”表達(dá)式，因此任何組合電路都可以用與或門電路實(shí)現(xiàn)。任何時(shí)序電路都可由組合電路加上存儲(chǔ)元件構(gòu)成，由此人們提出了可編程邏輯器件（PLD）的概念，其原理如圖1.1所示。

此后人們又從ROM工作原理、地址信號(hào)與輸出數(shù)據(jù)間的關(guān)系以及ASIC門陣列獲得啟發(fā)，構(gòu)造出SRAM查找表邏輯形成方法，采用RAM數(shù)據(jù)查找的方式，使用多個(gè)查找表構(gòu)成一個(gè)查找表陣列，即可編程門陣列（PGA）。

（二）PLD的發(fā)展及分類

1.PLD的發(fā)展歷程

很早以前人們就曾設(shè)想設(shè)計(jì)出一種可編程邏輯器件，不過由于受到當(dāng)時(shí)集成電路工藝技術(shù)的限制，一直未能如愿，直到20世紀(jì)后期，集成電路技術(shù)有了飛速的發(fā)展，可編程邏輯器件才得以實(shí)現(xiàn)。

歷史上，可編程邏輯器件（PLD）經(jīng)歷了PROM、PLA、PAL、GAL、EPLD、CPLD和FPGA的發(fā)展過程，在結(jié)構(gòu)、工藝、集成度、功能、速度和靈活性方面逐漸改進(jìn)和提高，大致的演變過程如下。

20世紀(jì)70年代初，推出熔絲編程的PROM和PLA可編程邏輯器件。

20世紀(jì)70年代末，AMD公司推出PAL器件。

20世紀(jì)80年代初，Lattice公司發(fā)明電可擦寫的、比PAL使用更靈活的GAL器件。

20世紀(jì)80年代中期，Xilinx公司提出現(xiàn)場(chǎng)可編程概念，同時(shí)生產(chǎn)出了世界上第一片F(xiàn)PGA器件。同一時(shí)期，Altera公司推出EPLD器件，較GAL器件有更高的集成度，可以用紫外線或電擦除。

20世紀(jì)80年代末，Lattice公司推出了一系列CPLD器件，將可編程邏輯器件的性能推向了一個(gè)全新的高度。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，可編程邏輯器件進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，可用邏輯門數(shù)超過了百萬(wàn)門，并出現(xiàn)了內(nèi)嵌復(fù)雜功能模塊（如加法器、乘法器、CPU核、DSP核、PLL等）的SoPC（可編程片上系統(tǒng)）。

2.PLD的分類

PLD的種類很多，幾乎每個(gè)大型PLD供應(yīng)商都能提供具有自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的PLD器件，由于歷史原因，PLD的分類方法較多，較常見的是按集成度來(lái)分類，如圖1.2所示。一般按集成度可分為兩大類：一類是芯片集成度較低的簡(jiǎn)單PLD，早期出現(xiàn)的PROM、PLA、PAL、GAL都屬于這類，邏輯門數(shù)大約在500門以下；另一類是芯片集成度較高的復(fù)雜PLD，如現(xiàn)在大量使用的FPGA/CPLD器件。

另外，還可以根據(jù)可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu)分為兩大類：一類是乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)器件，其基本結(jié)構(gòu)為“與或陣列”器件，大部分簡(jiǎn)單PLD以及CPLD屬于這個(gè)范疇；另一類是查找表結(jié)構(gòu)器件，由簡(jiǎn)單的查找表組成可編程邏輯門，再構(gòu)成邏輯陣列形式，F(xiàn)PGA屬于此類器件。

常見的FPGA/CPLD芯片外形和封裝如圖1.3所示。

3.PLD的發(fā)展趨勢(shì)

目前PLD的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

①繼續(xù)向高密度、高容量方向發(fā)展。目前對(duì)新型高密度器件的需求有增無(wú)減，大容量FPGA/CPLD是市場(chǎng)發(fā)展的方向。

②IP內(nèi)核得到進(jìn)一步發(fā)展。各大廠家不斷開發(fā)新的IP內(nèi)核，并且將部分功能在出廠時(shí)就固化在芯片中。

③SoPC成為主流。由于系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）流片成本非常高，晶圓廠承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)太大，所以一般為頂級(jí)OEM商提供。從圖1.4可以看出，SoPC既含有嵌入的處理器、I/O支持電路，也含有PLD，所嵌入的處理器可以是軟核，也可以是硬核，包括DSP/MCU/ASSP，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇處理器和I/O，然后對(duì)SoPC進(jìn)行編程，因此SoPC很快進(jìn)入了DSP/MCU的應(yīng)用領(lǐng)域，成為受歡迎的產(chǎn)品。

④ASIC和PLD相互融合。ASIC芯片尺寸小、功能強(qiáng)大、不耗電，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且有批量要求。PLD器件價(jià)格較低廉，能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行編程，但體積大、功能有限，而且功耗比ASIC大。因此，F(xiàn)PGA/CPLD和ASIC將會(huì)互相融合發(fā)展。