可编程逻辑器件的发展历程

1.PLD的概念

可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）又称为可编程专用集成电路（ASIC），它是IC制造厂家生产的一种半成品芯片，在这些芯片上只是集成一些逻辑门、触发器、连接线等电路资源，在出厂时它们不具备任何逻辑功能。应用PLD设计逻辑电路时，必须使用相应的软件、硬件开发工具才能完成。用户先使用开发软件将设计电路转化成某个信息文件，然后再通过专用的编程器（或下载电缆）将这些信息“编程”到芯片上去，从而使芯片具有相应的逻辑功能。PLD具有以下优点：

（1）功能集成度高

所谓功能集成度高是指在给定的体积内可集成逻辑功能的数目。一般来说，一片PLD可替代4～20个中小规模集成电路芯片，因而能减少芯片数量，提高印制电路板的利用率，自然也提高了电路的可靠性，降低了费用。

（2）系统设计时间缩短

PLD引脚的逻辑功能是由用户根据需要来设定的。一般都有强有力的设计工具的支持，不管是在构思阶段，还是实现阶段，都能快速地进行一种功能或多种功能的设计。而一般中小规模集成电路逻辑设计，则需要将多个固定功能的芯片按照逻辑功能要求进行搭接，这是很繁琐的。因为它牵涉到芯片之间的连线问题、芯片的布局问题及相互之间的影响等，往往是经过多次实验和反复修改才能制出一块较为可靠的功能电路。

（3）设计灵活

PLD具有可编程可擦除的特点，为设计带来了许多灵活性。倘若设计出错，则可以对该器件重新编程，从而大大降低了设计者所承担的风险。设计过程中还可以反复地修改设计方案，增添新的逻辑功能，但不需要增加器件。这可以充分发挥设计者的创造性，设计出更精良的产品。

2.PLD的发展

可编程逻辑器件是集成电路技术发展的产物。很早以前，电子工程师们就曾设想设计一种逻辑可再编程的器件，但由于集成电路规模的限制，难以实现。20世纪70年代，集成电路技术迅猛发展，随着集成电路规模的增大，MSI（Medium Scale Integrated Circuit）、LSI（Large Scale Integrated Circuit）出现，可编程逻辑器件才得以诞生和迅速发展。

随着大规模集成电路、超大规模集成电路技术的发展，可编程逻辑器件发展迅速，从20世纪70年代至今，大致经过了以下几个阶段：

（1）第一阶段：PLD诞生及简单PLD发展阶段

20世纪70年代，熔丝编程的可编程式只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM）和可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）的出现，标志着PLD的诞生。可编程逻辑器件最早是根据数字电子系统组成基本单元——门电路可编程来实现的，任何组合电路都可用与门和或门组成，时序电路可用组合电路加上存储单元来实现。早期PLD就是用可编程的与阵列和可编程的或阵列组成的。

PROM是采用固定的与阵列和可编程的或阵列组成的PLD，由于输入变量的增加会引起存储容量的急剧上升，只能用于简单组合电路的编程。PLA是由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成的，克服了PROM随着输入变量的增加规模迅速增加的问题，利用率高，但由于与阵列和或阵列都可编程，软件算法复杂，编程后器件运行速度慢，只能在小规模逻辑电路上应用。现在这两种器件在EDA上已不再采用，但PROM作为存储器，PLA作为全定制ASIC设计技术，还在应用。(www.xing528.com)

20世纪70年代末，AMD公司对PLA进行了改进，推出了PAL（Programmable Array Logic）器件，PAL与PLA相似，也由与阵列和或阵列组成，但在编程接点上与PAL不同，而与PROM相似，或阵列是固定的，只有与阵列可编程。或阵列固定与阵列可编程结构，简化了编程算法，运行速度也提高了，适用于中小规模可编程电路。但PAL为适应不同应用的需要，输出I/O结构也要跟着变化，输出I/O结构很多，而一种输出I/O结构方式就有一种PAL器件，给生产、使用带来不便。且PAL器件一般采用熔丝工艺生产，一次可编程，修改电路需要更换整个PAL器件，成本太高。现在，PAL已被GAL所取代。

以上可编程逻辑器件，都是乘积项可编程结构，都只解决了组合逻辑电路的可编程问题，对于时序电路，需要另外加上锁存器、触发器来构成，如PAL加上输出寄存器，就可实现时序电路可编程。

（2）第二阶段：乘积项可编程结构PLD发展与成熟阶段

20世纪80年代初，Lattice（莱迪思）公司开始研究一种新的乘积项可编程结构PLD。1985年，推出了一种在PAL基础上改进的GAL（Generic Array Logic）器件。GAL器件首次在PLD上采用EEPROM工艺，能够电擦除重复编程，使得修改电路不需更换硬件，可以灵活方便地应用，乃至更新换代。

在编程结构上，GAL沿用了PAL或阵列固定与阵列可编程结构，而对PAL的输出I/O结构进行了改进，增加了输出逻辑宏单元（Output Logic Macro Cell，OLMC），OLMC设有多种组态，使得每个I/O引脚可配置成专用组合输出、组合输出双向口、寄存器输出、寄存器输出双向口、专用输入等多种功能，为电路设计提供了极大的灵活性。同时，也解决了PAL器件一种输出I/O结构方式就有一种器件的问题，具有通用性。而且GAL器件是在PAL器件基础上设计的，与许多PAL器件是兼容的，一种GAL器件可以替换多种PAL器件，因此，GAL器件得到了广泛的应用。目前，GAL器件主要应用在中小规模可编程电路，而且，GAL器件也加上了ISP功能，称ispGAL器件。

20世纪80年代中期，Altera（阿尔特拉）公司推出了EPLD（ErasablePLD）器件，EPLD器件比GAL器件有更高的集成度，采用EPROM工艺或EEPROM工艺，可用紫外线或电擦除，适用于较大规模的可编程电路，也获得了广泛的应用。

（3）第三阶段：复杂可编程器件发展与成熟阶段

20世纪80年代中期，Xilinx（赛灵思）公司提出了现场可编程（Field Programmability）的概念，并生产出世界上第一片FPGA器件，FPGA是现场可编程门阵列（Field Programma-ble Gate Array）的英文缩写，现在已经成了大规模可编程逻辑器件中一大类器件的总称。FPGA器件一般采用SRAM工艺，编程结构为可编程的查找表（Look-Up Table，LUT）结构。FPGA器件的特点是电路规模大，配置灵活，但SRAM需掉电保护，或开机后重新配置。

20世纪80年代末，Lattice公司提出了在系统可编程（In-System Programmability，ISP）的概念，并推出了一系列具有ISP功能的CPLD，将PLD的发展推向了一个新的发展时期。CPLD即复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device）的英文缩写，Lattice公司推出CPLD开创了PLD发展的新纪元，即复杂可编程逻辑器件的快速推广与应用。CPLD采用EEPROM工艺，编程结构在GAL器件基础上进行了扩展和改进，使得PLD更加灵活，应用更加广泛。

复杂可编程逻辑器件现在有FPGA和CPLD两种主要结构，进入20世纪90年代后，两种结构都得到了飞速发展，尤其是FPGA器件现在已超过CPLD，走入成熟期，因其规模大，拓展了PLD的应用领域。目前，器件的可编程逻辑门数已达上千万门以上，可以内嵌许多种复杂的功能模块，如CPU核、DSP核、PLL（锁相环）等，可以实现单片可编程系统（System on Programmable Chip，SoPC）。

拓展了的在系统可编程性（ispXP），是Lattice公司集中了EEPROM和SRAM工艺的最佳特性而推出的一种新的可编程技术。ispXP兼收并蓄了EEPROM的非易失单元和SRAM的工艺技术，从而在单个芯片上同时实现了瞬时上电和无限可重构性。ispXP器件上分布的EEPROM阵列储存着器件的组态信息。在器件上电时，这些信息以并行的方式被传递到用于控制器件工作的SRAM位。新的ispXFPGATMFPGA系列与ispXPLDTMCPLD系列均采用了ispXP技术。

现在，除了数字可编程器件外，模拟可编程器件也受到了大家的重视，Lattice公司提供有ispPAC系列产品供选用。