PLD/FPGA入门   

PLD是可编程逻辑器件(Programable Logic Device)的简称,FPGA是现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array)的简称,两者的功能基本相同,只是实现原理略有不同,所以我们有时可以忽略这两者的区别,统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。 PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。  

    PLD能做什么呢?可以毫不夸张的讲,PLD能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74电路,都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后,还可以利用PLD的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。 PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言(HDL)的进步。

如何使用PLD呢?其实PLD的使用很简单,学习PLD比学习单片机要简单的多,有数字电路基础,会使用计算机,就可以进行PLD的开发。不熟悉PLD的朋友,可以先看一看编程逻辑器件的发展历程。当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC,几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是,随着微电子技术的发展,设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片,而且希望ASIC的设计周期尽可能短,最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片,并且立即投入实际应用之中,因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD),其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制,它们只能完成简单的数字逻辑功能。 其后,出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片,即可编程逻辑器件(PLD),它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成,而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述,所以, PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能.这一阶段的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。 PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成,或门的输.出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。 PAL器件是现场可编程的,它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA),它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成,但是这两个平面的连接关系是可编程的。 PLA器件既有现场可编程的,也有掩膜可编程的。  在PAL的基础上,又发展了一种通用阵列逻辑GAL (Generic Array Logic),如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工艺,实现了电可按除、电可改写,其输出结构是可编程的逻辑宏单元,因而它的设计具有很强的灵活性,至今仍有许多人使用。 这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。

     为了弥补这一缺陷, lATTICE推出了类似于PAL结构的扩展型 CPLD(ComplexProgrammab1e Logic Dvice)和与标准门阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。 这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点,可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比,它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGACPLD器件。