可编程逻辑器件概述

2．1　可编程逻辑器件概述

2．1．1　可编程逻辑器件的发展历程

可编程逻辑器件（programmable logic device，PLD）是20世纪70年代开始发展起来的一种新型大规模集成电路。一片PLD所容纳的逻辑门可达数百数千甚至更多，其逻辑功能可由用户编程指定。

最早的PLD出现在20世纪70年代初，主要是可编程只读存储器（PROM）和可编程逻辑阵列（PLA）。例如，Altera公司曾提供了8种通用的PLD系列产品，如表2．1．1所示。

表2．1．1　Altera系列产品的主要性能

70年代初期：第一种PLD——可编程只读存储器（PROM）问世。PROM由一个“与”阵列和一个“或”阵列组成，“与”阵列是固定的，“或”阵列是可编程的。

70年代中期：可编程逻辑阵列（PLA）出现。PLA器件同样由一个“与”阵列和一个“或”阵列组成，但其“与”阵列和“或”阵列都是可编程的。

70年代末期：可编程阵列逻辑（PAL）出现。PAL器件的“与”阵列是可编程的，而“或”阵列是固定的，它有多种输出和反馈结构，因而给逻辑设计带来了很大的灵活性。但PAL器件一般采用熔丝工艺，一旦编程便不能改写。

80年代中期：通用阵列逻辑（GAL）器件问世。GAL器件采用高速电可擦除CMOS工艺，能反复擦除和改写。特别是，它在结构上采用了“输出逻辑宏单元”电路，使一种型号的GAL器件可以对几十种PAL器件做到全兼容，这样给逻辑设计者带来了更大的灵活性。

20世纪90年代：在系统编程（ISP）器件产生了。在系统编程是指用户具有在自己设计的目标系统或线路板上为重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复改写的能力。ISP器件为用户提供了传统的PLD技术无法达到的灵活性，带来了极大的时间效益和经济效益，使可编程逻辑技术发生了实质性的飞跃。

PLD的发展和应用简化了数字系统的设计过程，降低了系统的体积和成本，提高了系统的可靠性和保密性，从根本上改变了系统设计方法，使各种逻辑功能的实现变得灵活、方便。

美国Xilinx公司在1985年推出了世界上第一块现场可编程门阵列（FPGA）器件，最初3个完整的系列产品分别被命名为XC2000、XC3000和XC4000，共有19个品种，后来又增加了低电压（3．3V）的“L”系列、多I／O引脚的“H”系列及更高速的“A”系列，并推出了与XC3000兼容的XC3100／A系列，在XC4000的基础上又增加了“E”和“EX”系列。

在1995年，Xilinx公司推出了XC5000、XC6200和XC8100FPGA系列，并且功能上取得了突破性进展，而后又推出了Spartan和Virture系列。Xilinx公司还有3个EPLD系列产品：XC7200、XC7300和XC9500。Xilinx系列产品的主要性能如表2．1．2所示。

表2．1．2　Xilinx系列产品的主要性能

Lattice公司目前的pLSI／ispLSI器件主要有6个系列，即pLSI／ispLSI1000、pLSI／ispLSI2000、pLSI／ispLSI3000、pLSI／ispLSI5000、pLSI／ispLSI6000和pLSI／ispLSI8000系列，其主要性能如表2．1．3所示。

表2．1．3　Lattice系列产品的主要性能

2．1．2　可编程逻辑器件的基本结构

PLD的基本组成为一个“与”阵列和一个“或”阵列。每个输出都是输入的“与或”函数。阵列中输入线和输出线的交点通过逻辑元件相连接。这些元件是接通还是断开，可由厂家根据器件的结构特征决定或由用户根据要求编程决定。PLD的基本结构如图2．1．1所示。

图2．1．1　PLD的基本结构

PLD“与”阵列的输入为外部输入原变量及在阵列中经过反相后的反变量。它们按所要求的规律连接到各个与门的输入端，并在各与门的输出端产生某些输入变量的“与”项作为“或”阵列的输入，这些“与”项按一定的要求连接到相应或门的输入端，在每个或门的输出端产生输入变量的“与－或”函数表达式。

在基本结构的基础上，附加一些其他逻辑元件，如输入缓冲器、输出寄存器、内部反馈、输出宏单元等，便可构成各种不同的PLD。

“与或”阵列的“与”阵列输入线、乘积项、或门和输出线等在具体器件内是有限的，称为PLD的资源。用PLD设计逻辑函数时，器件的资源是设计的约束条件之一。“与或”阵列在PLD中只能实现组合电路的功能，PLD的时序电路功能则由包含触发器和寄存器的宏单元实现。

逻辑宏单元结构具有以下几个作用：

（1）提供时序电路需要的寄存器和触发器；

（2）提供多种形式的输入／输出形式；

（3）提供内部信号反馈；

（4）分配控制信号，如CLK、RESET和EN等。

2．1．3　可编辑逻辑器件的分类方法

目前生产PLD的厂家有Xilinx、Altera、Actel、Atemel、AMD、AT＆T、Cypress、Intel、Motorola、Quicklogic和TI（Texas Instrument）等。常见的PLD产品有PROM、EPROM、EEPROM、PLA、FPLA、PAL、GAL、CPLD、EPLD、EEPLD、HDPLD、FPGA、pLSI、ispLSI、ispGAL和ispGDS等。PLD的分类方法较多，也不统一，下面简单介绍4种。

1）根据结构的复杂程度分类

根据结构的复杂程度，一般可将PLD分为简单PLD和复杂PLD（即CPLD）两种，或分为低密度PLD和高密度PLD（即HDPLD）两种。

2）根据互连结构分类

根据互连结构，可将PLD分为确定型和统计型两类。

确定型PLD提供的互连结构每次用相同的互连线实现布线，所以，这类PLD的定时特性常常可以从数据手册上查阅而事先确定。

3）根据可编程特性分类

根据可编程特性，可将PLD分为一次可编程和重复可编程两类。一次可编程的典型产品是PROM、PAL和熔丝型FPGA，其他大多属于重复可编程类型。

4）根据可编程器件的编程元件分类

最早的PLD器件（如PAL）大多采用TTL工艺，但后来的PLD器件（如GAL、EPLD、FPGA及pLSI／ISP器件）都采用MOS工艺（如NMOS、CMOS、E2CMOS等）。

2．1．4　PLD的电路表示法

对于PLD器件，用逻辑电路的一般表示法很难描述其内部电路，这给PLD的生产和应用带来了诸多不便。为此，就对描述PLD基本结构的有关逻辑符号和规则做出了某些约定。

1．与门和或门

图2．1．2给出了三输入与门的两种表示法。传统表示法（见图2．1．2（a））中与门的3个输入A、B、C在PLD表示法（图2．1．2（b））中称为3个输入项，而输出D称为“与”项。同样，或门也采用类似的方法表示。

图2．1．2　三输入与门的两种表示法

2．输入缓冲器

典型的输入缓冲器的PLD表示法如图2．1．3所示。它的两个输出B、C是其输入A的原态和反态，即B＝A，C＝A。其逻辑关系如图2．1．3（b）所示。

图2．1．3　典型的输入缓冲器

3．连接方式

PLD阵列交叉点上的三种连接方式如图2．1．4（a）所示。实点“·”表示硬线连接，即固定连接；“×”表示可编程连接；没有“×”和“·”的表示两线不连接。如图2．1．4（b）所示的输出F＝A·C。

图2．1．4　PLD阵列的连接方式

4．与门不执行任何功能时的连接表示

图2．1．5中，输出为D的与门连接了所有的输入项，其输出方程为

为了方便起见，用标有“×”标记的与门输出来表示所有输入缓冲器的输出全部连到某一“与”项的情况，如图2．1．5中的输出E。

图2．1．5　与门不执行任何功能时的连接表示

与上述相反，图2．1．5中输出F表示无任何输入项与其相连，因此，该“与”项总是处于“浮动”的逻辑“1”。