PLD/FPGA新手入門必備基礎(chǔ)知識

　　PLD是可編程邏輯器件(ProgramableLogicDevice)的簡稱，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgramableGateArray)的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或PLD/FPGA。

　　PLD是電子設(shè)計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù)，它的影響絲毫不亞于70年代單片機的發(fā)明和使用。

　　PLD能做什么呢?可以毫不夸張的講，PLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用PLD來實現(xiàn)。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。

　　通過軟件仿真，我們可以事先驗證設(shè)計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。PLD的這些優(yōu)點使得PLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了EDA軟件和硬件描述語言(HDL)的進步。

　　如何使用PLD呢?其實PLD的使用很簡單，學習PLD比學習單片機要簡單的多，有數(shù)字電路基礎(chǔ)，會使用計算機，就可以進行PLD的開發(fā)。

　　不熟悉PLD的朋友，可以先看一看可編程邏輯器件的發(fā)展歷程。當今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會。數(shù)字集成電路本身在不斷地進行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSIC，幾萬門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導體廠商來獨立承擔。

　　系統(tǒng)設(shè)計師們更愿意自己設(shè)計專用集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當屬現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)。早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存貯器(PROM)、紫外線可按除只讀存貯器(EPROM)和電可擦除只讀存貯器(EEPROM)三種。

　　由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。其后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件(PLD)，它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。

　　典型的PLD由一個“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與一或”表達式來描述，所以，PLD能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能.這一階段的產(chǎn)品主要有PAL(可編程陣列邏輯)和GAL(通用陣列邏輯)。PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸.出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。

　　PAL器件是現(xiàn)場可編程的，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列(PLA)，它也由一個“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(guān)系是可編程的。PLA器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。

　　在PAL的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一種通用陣列邏輯GAL(GenericArrayLogic)，如GAL16V8,GAL22V10等。它采用了EEPROM工藝，實現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的PLD器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。

　　為了彌補這一缺陷，lATTICE推出了類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴展型CPLD(ComplexProgrammab1eLogicDvice)和與標準門陣列類似的FPGA(FieldProgrammableGateArray)，它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。這兩種器件兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。

　　與門陣列等其它ASIC(ApplicationSpecificIC)相比，它們又具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用FPGA和CPLD器件。