第1章可编程逻辑器件的基本原理1.1可编程逻辑器件和EDA技术发展概况先进的EDA技术使传统的“自下而上”的设计方法变为一种新的“自顶向下”的设计方法，设计者可以利用计算机对系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路可以采用一片或几片专用集成电路(ASIC)来实现，因而使系统的体积、重量减小，功耗降低，而且具有高性能、高可靠性和保密性好等优点。专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)是指专门为某一应用领域或为特定用户需要而设计、制造的LSI或VLSI电路，它可以将某些专用电路或电子系统设计在一个芯片上，构成单片集成系统。ASIC可分为数字ASIC和模拟ASIC，数字ASIC又分为全定制和半定制两种。全定制ASIC芯片的各层(掩膜)都是按特定电路功能专门制造的。设计人员从晶体管的版图尺寸、位置和互连线开始设计，以达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优性能，但其设计制作费用高，周期长，因此只适用于批量较大的产品。半定制是一种约束性设计方式。约束的主要目的是简化设计、缩短设计周期和提高芯片成品率。目前，半定制ASIC主要有门阵列、标准单元和可编程逻辑器件三种。门阵列(GateArray)是一种预先制造好的硅阵列(称母片)，内部包括几种基本逻辑门、触发器等，芯片中留有一定的连线区。用户根据所需要的功能设计电路，确定连线方式，然后再交生产厂家布线。标准单元(StandardCell)是厂家将预先配置好、经过测试且具有一定功能的逻辑块作为标准模块存储在数据库中，设计人员在电路设计完成之后，利用CAD工具在版图一级完成与电路一一对应的最终设计。和门阵列相比，标准单元设计灵活，功能强，但设计和制造周期较长，开发费用也比较高。可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice，PLD)是ASIC的一个重要分支。与上述两种半定制电路不同，PLD是厂家作为一种通用型器件生产的半定制电路，用户可以通过对器件编程使之实现所需要的逻辑功能。PLD是用户可配置的逻辑器件，它的成本比较低，使用灵活，设计周期短，而且可靠性高，承担风险小，因而很快得到了普遍应用，发展非常迅速。可编程逻辑器件从20世纪70年代发展到现在，已形成了许多类型的产品，其结构、工艺、集成度、速度和性能等都在不断改进和提高。最早出现的可编程逻辑器件是1970年制成的PROM，它由全译码的与阵列和可编程的或阵列组成。由于阵列规模大，速度低，因此它的主要用途还是作存储器。20世纪70年代中期出现了可编程逻辑阵列(ProgrammableLogicArray，PLA)器件，它由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，虽然其阵列规模大为减少，提高了芯片的利用率，但由于编程复杂，支持PLA的开发软件有一定难度，因而也没有得到广泛应用。20世纪70年代末美国MMI(MonolithicMemoriesInc，单片存储器公司)率先推出了可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogic，PAL)器件，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程方式、双极型工艺制造，器件的工作速度很高。由于它的输出结构种类很多，设计很灵活，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件。20世纪80年代初Lattice公司发明了通用阵列逻辑(GenericArrayLogic，GAL)器件，它在PAL的基础上进一步进行改进，采用了输出逻辑宏单元(OLMC)的形式和E2CMOS工艺结构，因而具有可擦除、可重复编程、数据可长期保存和可重新组合结构等优点。GAL比PAL使用更加灵活，它可以取代大部分SSI、MSI和PAL器件，所以在20世纪80年代得到了广泛应用。PAL和GAL都属于低密度PLD，其结构简单，设计灵活，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。20世纪80年代末，随着集成电路工艺水平的不断提高，PLD突破了传统的单一结构，向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活，适用范围更宽的方向发展，因而相继出现了各种不同结构的高密度PLD。20世纪80年代中期Altera公司推出了一种新型的可擦除、可编程逻辑器件(ErasableProgrammableLogicDevice，EPLD)，它采用CMOS和UVEPROM工艺制作，集成度比PAL和GAL高得多，设计也更加灵活，但内部互连能力比较弱。1985年，Xilinx公司首家推出了现场可编程逻辑(FieldProgrammableGateArray，FPGA)器件，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作，其结构和阵列型PLD不同，内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑块之间可以灵活地相互连接，具有密度高、编程速度快、设计灵活和可再配置设计能力等许多优点。FPGA出