可編程邏輯器件PLD介紹

關(guān)鍵詞： PLD , 可編程邏輯

在數(shù)字電子系統(tǒng)領(lǐng)域,存在三種基本的器件類型：存儲器、微處理器和邏輯器件。存儲器用來存儲隨機(jī)信息,如數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。微處理器執(zhí)行軟件指令來完成范圍廣泛的任務(wù),如運行字處理程序或視頻游戲。邏輯器件提供特定的功能,包括器件與器件間的接口、數(shù)據(jù)通信、信號處理、數(shù)據(jù)顯示、時序和控制操作、以及系統(tǒng)運行所需要的所有其它功能。

固定邏輯與可編程邏輯

邏輯器件可分類兩大類 - 固定邏輯器件和可編程邏輯器件。一如其名,固定邏輯器件中的電路是永久性的,它們完成一種或一組功能 - 一旦制造完成,就無法改變。另一方面,可編程邏輯器件（PLD）是能夠為客戶提供范圍廣泛的多種邏輯能力、特性、速度和電壓特性的標(biāo)準(zhǔn)成品部件 - 而且此類器件可在任何時間改變,從而完成許多種不同的功能。

對于固定邏輯器件,根據(jù)器件復(fù)雜性的不同,從設(shè)計、原型到最終生產(chǎn)所需要的時間可從數(shù)月至一年多不等。而且,如果器件工作不合適,或者如果應(yīng)用要求發(fā)生了變化,那么就必須開發(fā)全新的設(shè)計。設(shè)計和驗證固定邏輯的前期工作需要大量的“非重發(fā)性工程成本”,或NRE。NRE表示在固定邏輯器件最終從芯片制造廠制造出來以前客戶需要投入的所有成本,這些成本包括工程資源、昂貴的軟件設(shè)計工具、用來制造芯片不同金屬層的昂貴光刻掩模組,以及初始原型器件的生產(chǎn)成本。這些NRE成本可能從數(shù)十萬美元至數(shù)百萬美元。

對于可編程邏輯器件,設(shè)計人員可利用價格低廉的軟件工具快速開發(fā)、仿真和測試其設(shè)計。然后,可快速將設(shè)計編程到器件中,并立即在實際運行的電路中對設(shè)計進(jìn)行測試。原型中使用的PLD器件與正式生產(chǎn)最終設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)路由器、DSL調(diào)制解調(diào)器、DVD播放器、或汽車導(dǎo)航系統(tǒng)）時所使用的PLD完全相同。這樣就沒有了NRE成本,最終的設(shè)計也比采用定制固定邏輯器件時完成得更快。

采用PLD的另一個關(guān)鍵優(yōu)點是在設(shè)計階段中客戶可根據(jù)需要修改電路,直到對設(shè)計工作感到滿意為止。這是因為PLD基于可重寫的存儲器技術(shù)--要改變設(shè)計,只需要簡單地對器件進(jìn)行重新編程。一旦設(shè)計完成,客戶可立即投入生產(chǎn),只需要利用最終軟件設(shè)計文件簡單地編程所需要數(shù)量的PLD就可以了。

CPLD和FPGA

可編程邏輯器件的兩種主要類型是現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）。在這兩類可編程邏輯器件中,FPGA提供了最高的邏輯密度、最豐富的特性和最高的性能。現(xiàn)在最新的FPGA器件,如Xilinx Virtex?系列中的部分器件,可提供八百萬"系統(tǒng)門"（相對邏輯密度）。這些先進(jìn)的器件還提供諸如內(nèi)建的硬連線處理器（如IBM Power PC）、大容量存儲器、時鐘管理系統(tǒng)等特性,并支持多種最新的超快速器件至器件（device-to-device）信號技術(shù)。FPGA被應(yīng)用于范圍廣泛的應(yīng)用中,從數(shù)據(jù)處理和存儲,以及到儀器儀表、電信和數(shù)字信號處理等。

與此相比,CPLD提供的邏輯資源少得多 - 最高約1萬門。但是,CPLD提供了非常好的可預(yù)測性,因此對于關(guān)鍵的控制應(yīng)用非常理想。而且如Xilinx CoolRunner?系列CPLD器件需要的功耗極低,并且價格低廉,從而使其對于成本敏感的、電池供電的便攜式應(yīng)用（如移動電話和數(shù)字手持助理）非常理想。

PLD市場

根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Gartner/Dataquest的數(shù)據(jù),目前全球可編程邏輯器件市場約為35億美元。固定邏輯器件市場約為120億美元。然而,近年來,PLD銷售額的增長速度已經(jīng)超過基于傳統(tǒng)門陣列技術(shù)的固定邏輯器件的銷售增長速度。而且,高性能FPGA現(xiàn)在已開始從采用最先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)單元技術(shù)制造的固定邏輯器件那兒贏得市場份額。

根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(SIA)提供的數(shù)據(jù),可編程邏輯現(xiàn)在是半導(dǎo)體行業(yè)中增長最快的領(lǐng)域之一,在過去幾年時間里,PLD的銷售增長速度超過了整個半導(dǎo)體行業(yè)的平均銷售增長速度。

主要電子設(shè)計貿(mào)易出版物《EDN》雜志說："可編程邏輯器件是邏輯器件產(chǎn)品中增長最快的領(lǐng)域,這主要有兩個基本原因?？删幊踢壿嬈骷粩嗵岣叩膯纹骷壿嬮T數(shù)量集成了眾多功能,不然的話這些功能只能采用大量分立邏輯和存儲器芯片才能實現(xiàn),這可以改善最終系統(tǒng)的體積、功耗、性能、可靠性和成本。同樣重要的是這樣的事實,在許多情況下只需要數(shù)十秒或分鐘的時間,你就可以在工作站或系統(tǒng)組裝線上配置和重新配置這些器件。這一能力提供了強(qiáng)大的靈活性,支持迅速對最后一分鐘設(shè)計修改,以及在設(shè)計定型前對各種想法進(jìn)行原型實驗,同時還可滿足在消費者需求和競爭壓力下不斷縮短的上市時間最終期限要求。(EDN, "PLD年度目錄", 2000年8月17日.)

PLD的優(yōu)點

固定邏輯器件和PLD各有自己的優(yōu)點。例如,固定邏輯設(shè)計經(jīng)常更適合大批量應(yīng)用,因為它們可更為經(jīng)濟(jì)地大批量生產(chǎn)。對有些需要極高性能的應(yīng)用,固定邏輯也可能是最佳的選擇。

然而,可編程邏輯器件提供了一些優(yōu)于固定邏輯器件的重要優(yōu)點,包括：
PLD在設(shè)計過程中為客戶提供了更大的靈活性,因為對于PLD來說,設(shè)計反復(fù)只需要簡單地改變編程文件就可以了,而且設(shè)計改變的結(jié)果可立即在工作器件中看到。

PLD不需要漫長的前置時間來制造原型或正式產(chǎn)品 - PLD器件已經(jīng)放在分銷商的貨架上并可隨時付運。

PLD不需要客戶支付高昂的NRE成本和購買昂貴的掩模組- PLD供應(yīng)商在設(shè)計其可編程器件時已經(jīng)支付了這些成本,并且可通過PLD產(chǎn)品線延續(xù)多年的生命期來分?jǐn)傔@些成本。

PLD允許客戶在需要時僅訂購所需要的數(shù)量,從而使客戶可控制庫存。采用固定邏輯器件的客戶經(jīng)常會面臨需要廢棄的過量庫存,而當(dāng)對其產(chǎn)品的需求高漲時,他們又可能為器件供貨不足所苦,并且不得不面對生產(chǎn)延遲的現(xiàn)實。

PLD甚至在設(shè)備付運到客戶那兒以后還可以重新編程。事實上,由于有了可編程邏輯器件,一些設(shè)備制造商現(xiàn)在正在嘗試為已經(jīng)安裝在現(xiàn)場的產(chǎn)品增加新功能或者進(jìn)行升級。要實現(xiàn)這一點,只需要通過因特網(wǎng)將新的編程文件上載到PLD就可以在系統(tǒng)中創(chuàng)建出新的硬件邏輯。

過去幾年時間里,可編程邏輯供應(yīng)商取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步,以致現(xiàn)在PLD被眾多設(shè)計人員視為是邏輯解決方案的當(dāng)然之選。能夠?qū)崿F(xiàn)這一點的重要原因之一是象Xilinx這樣的PLD供應(yīng)商是"無晶圓制造廠"企業(yè),并不直接擁有芯片制造工廠,Xilinx將芯片制造工作外包給IBM Microelectronics 和 UMC這樣的主要業(yè)務(wù)就是制造芯片的合作伙伴。這一策略使Xilinx可以集中精力設(shè)計新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、軟件工具和IP核心,同時還可以利用最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)。先進(jìn)的工藝技術(shù)在一系列關(guān)鍵領(lǐng)域為PLD提供了幫助：更快的性能、集成更多功能、降低功耗和成本等。目前Xilinx采用先進(jìn)的0.13um 低K銅金屬工藝生產(chǎn)可編程邏輯器件,這也是業(yè)界最好的工藝之一。                        

例如,僅僅數(shù)年前,最大規(guī)模的FPGA器件也僅僅為數(shù)萬系統(tǒng)門,工作在40 MHz。過去的FPGA也相對較貴,當(dāng)時最先進(jìn)的FPGA器件大約要150美元。然而,今天具有最先進(jìn)特性的FPGA可提供百萬門的邏輯容量、工作在300 MHz,成本低至不到10美元,并且還提供了更高水平的集成特性,如處理器和存儲器。

同樣重要的是,PLD現(xiàn)在有越來越多的知識產(chǎn)權(quán)（IP）核心庫的支持 - 用戶可利用這些預(yù)定義和預(yù)測試的軟件模塊在PLD內(nèi)迅速實現(xiàn)系統(tǒng)功能。IP核心包括從復(fù)雜數(shù)字信號處理算法和存儲器控制器直到總線接口和成熟的軟件微處理器在內(nèi)的一切。此類IP核心為客戶節(jié)約了大量時間和費用 - 否則,用戶可能需要數(shù)月的時間才能實現(xiàn)這些功能,而且還會進(jìn)一步延遲產(chǎn)品推向市場的時間。

結(jié)論

可編程邏輯的價值在于其縮短電子產(chǎn)品制造商開發(fā)周期,以及幫助他們更快地將產(chǎn)品推向市場的能力。隨著PLD供應(yīng)商繼續(xù)致力于在可編程邏輯器件中集成更多的功能、降低其成本并提高能夠節(jié)約時間的IP核心的可用性,可編程邏輯一定會在數(shù)字設(shè)計人員中進(jìn)一步普及開來。