可程式邏輯

邏輯器件可分為兩大類 – 固定邏輯器件和可程式邏輯器件。正如其命名一樣，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 —— 一旦製造完成，就無法改變。另一方面，可程式邏輯器件（PLD）是能夠為客戶提供範圍廣泛的多種邏輯容量、特性、速度和電壓參數的標準成品部件 —— 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。

基本介紹

• 中文名：可程式邏輯
• 基本器件：存儲器、微處理器和邏輯器件
• 存儲器：存儲隨機信息
• 邏輯器件：固定邏輯器件和可程式邏輯器件

簡介

在數字電子系統領域，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信息，如數據表或資料庫的內容。微處理器執行軟體指令來完成範圍廣泛的任務，如運行字處理程式或視頻遊戲。邏輯器件提供特定的功能，包括器件與器件間的接口、數據通信、信號處理、數據顯示、定時和控制操作、以及系統運行所需要的所有其它功能。

固定邏輯與可程式邏輯

邏輯器件可分為兩大類 – 固定邏輯器件和可程式邏輯器件。正如其命名一樣，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 —— 一旦製造完成，就無法改變。另一方面，可程式邏輯器件（PLD）是能夠為客戶提供範圍廣泛的多種邏輯容量、特性、速度和電壓參數的標準成品部件 —— 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。

對於固定邏輯器件，根據器件複雜性不同，從設計、原型到最終生產所需要的時間可從數月至一年多不等。而且，如果器件工作不合適，或者如果套用要求發生了變化，那么就必須開發全新的設計。設計和驗證固定邏輯的前期工作需要大量的NRE成本。NRE代表在固定邏輯器件最終從晶片製造廠製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、昂貴的軟體設計工具、用來製造晶片不同金屬層的昂貴光刻掩膜組以及初始原型器件的生產成本。這些NRE成本可能從數十萬美元至數百萬美元。

對於可程式邏輯器件，設計人員可利用價格低廉的軟體工具快速開發、仿真和測試其設計。然後，可快速將設計編程到器件中，並立即在實際運行的電路中對設計進行測試。原型中使用的PLD器件與正式生產最終設備（如網路路由器、DSL數據機、DVD播放器、或汽車導航系統）時所使用的PLD完全相同。這樣就沒有了NRE成本，最終的設計也比採用定製固定邏輯器件時完成得更快。

採用PLD的另一個關鍵優點是在設計階段中客戶可根據需要修改電路，直到對設計工作感到滿意為止。這是因為PLD基於可重寫的存儲器技術——要改變設計，只需要簡單地對器件進行重新編程。一旦設計完成，客戶可立即投入生產，只需要利用最終軟體設計檔案簡單地編程所需要數量的PLD就可以了。

CPLD和FPGA

可程式邏輯器件的兩種類型是現場可程式門陣列（FPGA）和複雜可程式邏輯器件（CPLD）。在這兩類可程式邏輯器件中，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“系統門”（相對邏輯密度）。這些先進的器件還提供諸如內建的硬連線處理器（如IBM Power PC）、大容量存儲器、時鐘管理系統等特性，並支持多種最新的超快速器件至器件（device-to-device）信號技術。FPGA被套用於範圍廣泛的套用中，從數據處理和存儲直到儀器儀表、電信和數位訊號處理。

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測性，因此對於關鍵的控制套用非常理想。而且CPLD器件（如Xilinx CoolRunner? 系列）需要的功耗極低，並且價格低廉，從而使其對於成本敏感的、電池供電的攜帶型套用（如行動電話和數字手持助理）非常理想。

PLD的優點

固定邏輯器件和PLD各有自己的優點。例如，固定邏輯器件經常更適合大批量套用，因為它們可更為經濟地大批量生產。對一些需要極高性能的套用，固定邏輯也可能是最佳的選擇。

然而，可程式邏輯器件提供了一些優於固定邏輯器件的重要優點，包括：

· PLD在設計過程中為客戶提供了更大的靈活性，因為對於PLD來說，設計反覆只需要簡單地改變編程檔案就可以了，而且設計改變的結果可立即在工作器件中看到。

· PLD不需要漫長的前導時間來製造原型或正式產品 – PLD器件已經放在分銷商的貨架上並可隨時付運。

· PLD不需要客戶支付高昂的NRE成本和購買昂貴的掩膜組。PLD供應商在設計其可程式器件時已經支付了這些成本，並且可通過PLD產品線延續多年的生命期來分攤這些成本。

· PLD允許客戶在需要時僅訂購所需要的數量，從而使客戶可控制庫存。採用固定邏輯器件的客戶經常會面臨需要廢棄的過量庫存，而當對其產品的需求高漲時，他們又可能為器件短缺（供貨不足）所苦，並且不得不面對生產延遲的現實。

· PLD甚至在設備付運到客戶那兒以後還可以重新編程。事實上，由於有了可程式邏輯器件，一些設備製造商現在正在嘗試為已經安裝在現場的產品增加新功能或者進行升級。要實現這一點，只需要通過網際網路將新的編程檔案上載到PLD就可以在系統中創建出新的硬體邏輯。

過去幾年時間裡，可程式邏輯供應商取得了巨大的技術進步，以致現在PLD被眾多設計人員視為是邏輯解決方案的當然之選。能夠實現這一點的重要原因之一是像賽靈思這樣的PLD供應商是“無晶圓製造廠”企業，並不直接擁有晶片製造工廠，賽靈思將晶片製造工作外包給聯華電子（UMC）和東芝，他們是晶片製造行業的領導廠商。這一策略使賽靈思可以集中精力設計新產品結構、軟體工具和IP核心，同時還可以利用最先進的半導體製造工藝技術。先進的工藝技術在一系列關鍵領域為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。目前賽靈思提供採用先進的90nm和65nm工藝生產的可程式邏輯器件，它們都是業界最領先的工藝。

例如，僅僅數年前，最大規模的FPGA器件也僅僅為數萬系統門，工作在40 MHz。過去的FPGA也相對較貴，當時最先進的FPGA器件大約要150美元。然而，今天具有最先進特性的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，並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現在有越來越多的核心技術（IP）庫的支持 - 用戶可利用這些預定義和預測試的軟體模組在PLD內迅速實現系統功能。IP核心包括從複雜數位訊號處理算法和存儲器控制器直到匯流排接口和成熟的軟體微處理器在內的一切。此類IP核心為客戶節約了大量時間和費用 – 否則，用戶可能需要數月的時間才能實現這些功能，而且還會進一步延遲產品推向市場的時間。

結論

可程式邏輯的價值在於其縮短了電子產品製造商的開發周期以及幫助他們更快地將產品推向市場的能力。隨著PLD供應商繼續致力於在可程式邏輯器件中集成更多的功能、進一步降低成本並提高能夠節約時間的IP核心的可用性，可程式邏輯一定會在數字設計人員中進一步普及開來。

實際上，近年來，PLD銷售額的增長速度已經超過基於傳統門陣列技術的固定邏輯器件的銷售增長速度。而且，高性能FPGA現在已開始從採用最先進的標準單元技術製造的固定邏輯器件那兒贏得市場份額。

根據半導體行業聯盟（SIA）提供的數據，可程式邏輯現在是半導體行業中增長最快的領域之一，在過去幾年時間裡，PLD的銷售增長速度超過了整個半導體行業的平均銷售增長速度。