可编程逻辑器件的应用和发展

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1、可编程逻辑器件的应用及发展王康沈祖斌(江汉大学数学与计算机科学学院，湖北武汉430056)摘要：在社会半导体技术发展的推动下，可编程逻辑器件迎来了前所未有的发展机遇且实现了较大的突破，具有良好的在线修改能力即随时修改设计而不必改动其硬件电路的特点，如今它己成为电子设计领域中最具发展前途的器件。本文详细地阐述了可编程逻辑器件的发展简史，并介绍了它在数字电路实验、通信系统和ASIC设计三个领域中的应用，最后展望了可编程逻辑器件的发展趋势。关键字：可编程逻辑器件；熔丝技术；CPLD：FPGA1可编程逻辑器件发展简

2、史最早的PLD是1970年制成的可编程只读存储器(ProgrammableReadOnlyMemory,PROM),它巾固定的与阵列和可编程的或阵列组成。PROM采用熔丝工艺编程，只能写一次，不能擦除和重写。随着技术的发展和应用要求，此后又出现了紫外线可擦除只读存储器UVEPROM和电可擦除只读存储器EEPROM。由于其价格便宜、速度低、易于编程，适合于存储函数和数据表格，因此，主要用作存储器。可编程逆辑陈列(ProgrammableLogicArray,PLA)器件于20世纪70年代屮期出现，它是由可编程

3、的与阵列和可编程的或阵列组成，但由于器件的价格比较贵，编程复杂，资源利用率低，支持PLA的开发软件有一定难度，因而没有得到广泛应用。可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogic，PAL)器件是1977年美国MMI公司(单片存储器公司)率先推出的，它采用熔丝编程方式，由可编程的与阵列和固定的或阵列组成,双极性工艺制造，器件的工作速度很高。由于它的设计很灵活，输出结构种类很多，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。通用阵列逻楫(GenericArrayLogic,GAL)器件是1985年L

4、attice公司最先发明的可电擦写、可重复编程、可设賈加密位的PLD。GAL在PAL的基础上，采用了输出逻辑宏单元形式EECMOS工艺结构。在实际应用中，GAL器件对PAL器件仿真具有百分之百的兼容性，所以GAL几乎完全代替了PAL器件，并可以取代大部分SSI、MSI数字集成电路，因而获得广泛应用。可檫除可编程逻輯器件(ErasableProgrammableLogicDevice，EPLD)足20世纪80年代巾期Altera公司推出的基于UVEPROM和CMOS技术的PLD，后来发展到采用EECMOS工艺

5、制作的PLD,EPLD的基本逻辑单元是宏单元，宏单元是由可编程的与或阵列、可编程寄存器和可编程I/O三部分组成的。从某种意义上讲，EPLD是改进的GAL，它在GAL基础上大量增加输出宏单元的数提供更大的与阵列，集成密度大幅提高，内部连线相对固定，延时小，有利于器件在高频下工作，但N部互连能力十分弱。杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD)是20世纪80年代末Lattice公wj提出了在线可编程(InSystemProgrammability，ISP)技术以后

6、，于20世纪90年代初出现的。CPLD至少包含三种结构：可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元和可编程内部连线，它是在EPLD的基础上发展起来的，采用EECMOS工艺制作，与EPLD相比，增加了内部连线，对逻辑宏单元和I/O单元也有非常大的改进。现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)器件是Xilinx公司1985年首家推山的，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作。FPGA的结构与门阵列PLD不同，其P、j部由许多独立的可编程逻辑模块(CLB)组成

7、，逻辑块之间可以灵活地相互连接，CLB的功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置成RAM等S杂的形式。配置数据存放在芯片内的SRAM或者熔丝图上，基于SRAM的FPGA或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场可编程。FPGA出现后受到电子设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速。2可编程逻辑器件典型应用领域(1)在数字电路实验中的应用如今，在数字电路的实验中，大量使川基本门路，触发器，中规模集成电路等，进行一次电路实验课程需要准备大量的逻辑集成芯片，增加了器件的选购和管理的

8、难度，尤其是有些逻辑芯片只是用一次就不再使用了，使得闲置的逻辑芯片将会大大增加，造成资源的浪费。但是，如果使用PLD,在组合电路和相关实验屮可以把PLD编程写为各种组合式门电路结构,还可以用它构成几乎有的中规模组合集成电路，如译码器、编码器等。例如：在做触发器实验巾，利用一片GAL16V8芯八可以同时实现R-S触发器、J-K触发器、D触发器、T触发器等基本触发器。由此看來，在把PLD用于数字电路实验后，一般实验只