1.1.1 PLD的发展历程及发展趋势

微课1-1

CPLD FPGA的发展历程及概述

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。系统设计师更愿意自己设计专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，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，能立即投入实际应用之中。因而出现了现场可编程逻辑器件（Field Programmable Logical Device，FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（Field Programmable Gates Array，FPGA）和复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logical Device，CPLD）。

早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（E2PROM）3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，出现了一类结构稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（Programmable Logical Device，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-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。典型PLD的部分内部结构如图1-1所示。

图1-1 典型PLD的部分内部结构

这一阶段的产品主要有可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）和通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL）。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E2PROM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（Programmable Logic Array，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（Generic Array Logic，GAL），如GAL16V8、GAL22V10等。GAL采用了E2PROM工艺，实现了电可擦除、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，20世纪80年代中期，Altera公司和Xilinx公司分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD和标准门阵列类似的FPGA，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广等特点。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。和门阵列等其他ASIC相比，又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无须测试、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）。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FPGA和CPLD器件。

不同厂家对器件的叫法不尽相同，Xilinx公司把基于查找表技术的SRAM工艺、要外挂配置用的E2PROM的PLD称为FPGA；把基于乘积项技术的Flash（类似E2PROM工艺）工艺的PLD称为CPLD。Altera把自己的PLD产品，包括MAX系列（乘积项技术，E2PROM工艺）和FLEX系列（查找表技术，SRAM工艺）都称为CPLD，即复杂PLD（Complex PLD）。由于FLEX系列也是SRAM工艺，基于查找表技术，要外挂配置用的EPROM，其用法和Xilinx公司的FPGA一样，所以很多人把Altera公司的FLEX系列产品也称作FPGA。