PLD是可編程邏輯器件（Programable Logic Device）的簡稱，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programable Gate Array)的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或PLD/FPGA。

    PLD是電子設計領域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術，它的影響絲毫不亞于70年代單片機的發(fā)明和使用。

PLD能做什么呢？可以毫不夸張的講，PLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用PLD來實現(xiàn)。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 PLD的這些優(yōu)點使得PLD技術在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了EDA軟件和硬件描述語言（HDL)的進步。

如何使用PLD呢？其實PLD的使用很簡單，學習PLD比學習單片機要簡單的多，有數(shù)字電路基礎，會使用計算機，就可以進行PLD的開發(fā)。不熟悉PLD的朋友，可以先看一看可編程邏輯器件的發(fā)展歷程。

當今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應用的社會。數(shù)字集成電路本身在不斷地進行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路、發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSIC，幾萬門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術的發(fā)展，設計與制造集成電路的任務已不完全由半導體廠商來獨立承擔。系統(tǒng)設計師們更愿意自己設計專用集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)，其中應用最廣泛的當屬現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)。

     早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存貯器(PROM)、紫外線可按除只讀存貯器(EPROM)和電可擦除只讀存貯器(EEPROM)三種。由于結構的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。

    其后，出現(xiàn)了一類結構上稍復雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件(PLD)，它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。典型的PLD由一個“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與一或”表達式來描述，所以， PLD能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。

    這一階段的產(chǎn)品主要有PAL(可編程陣列邏輯)和GAL(通用陣列邏輯)。 PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構成，或門的輸．出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。 PAL器件是現(xiàn)場可編程的，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術、EPROM技術和EEPROM技術。還有一類結構更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列(PLA)，它也由一個“與”平面和一個“或”平面構成，但是這兩個平面的連接關系是可編程的。 PLA器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。  在PAL的基礎上，又發(fā)展了一種通用陣列邏輯GAL (Generic Array Logic)，如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工藝，實現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結構是可編程的邏輯宏單元，因而它的設計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的PLD器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結構也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。

               

                典型的PLD的部分結構（實現(xiàn)組合邏輯的部分）

    為了彌補這一缺陷，20世紀80年代中期。 Altera和Xilinx分別推出了類似于PAL結構的擴展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和與標準門陣列類似的FPGA(Field Programmable Gate Array)，它們都具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。這兩種器件兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它們又具有設計開發(fā)周期短、設計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品無需測試、質量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應用于產(chǎn)品的原型設計和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應用FPGA和CPLD器件。

（注：不同廠家的叫法不盡相同，Xilinx把，基于查找表技術，SRAM工藝，要外掛配置用的EEPROM的PLD叫FPGA；把基于乘積項技術，F(xiàn)lash（類似EEPROM工藝）工藝的PLD叫CPLD; Altera 把自己的PLD產(chǎn)品:MAX系列（乘積項技術，EEPROM工藝）,FLEX系列（查找表技術，SRAM工藝）都叫作CPLD,即復雜PLD(Complex PLD),由于FLEX系列也是SRAM工藝,基于查找表技術，要外掛配置用的EPROM,用法和Xilinx的FPGA一樣，所以很多人把Altera的FELX系列產(chǎn)品也叫做FPGA.）

　

（右圖：8寸硅晶片，每一個小方格經(jīng)過切割，封裝后就是一片芯片）

    FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)與 CPLD(復雜可編程邏輯器件)都是可編程邏輯器件，它們是在PAL,GAL等邏輯器件的基礎之上發(fā)展起來的。同以往的PAL,GAL等相比較，F(xiàn)PGA／CPLD的規(guī)模比較大，它可以替代幾十甚至幾千塊通用IC芯片。這樣的FPGA／CPLD實際上就是一個子系統(tǒng)部件。這種芯片受到世界范圍內電子工程設計人員的廣泛關注和普遍歡迎。經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，許多公司都開發(fā)出了多種可編程邏輯器件。比較典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，它們開發(fā)較早，占用了較大的PLD市場。通常來說，在歐洲用Xilinx的人多，在日本和亞太地區(qū)用ALTERA的人多，在美國則是平分秋色。全球PLD/FPGA產(chǎn)品60%以上是由Altera和Xilinx提供的?？梢灾vAltera和Xilinx共同決定了PLD技術的發(fā)展方向。當然還有許多其它類型器件，如：Lattice，Vantis，Actel，Quicklogic，Lucent等。 （99年Lattice收購了Vantis，成為第三大PLD供應商；同年Xilinx收購了Philips的PLD部門）詳細內容請瀏覽：PLD廠商 欄目

 

                    資料來源：99年4月《電子產(chǎn)品世界》

 

  盡管FPGA,CPLD和其它類型PLD的結構各有其特點和長處，但概括起來，它們是由三大部分組成的，

·一個二維的邏輯塊陣列，構成了PLD器件的邏輯組成核心?！ぽ斎耄敵鰤K：·連接邏輯塊的互連資源。連線資源：由各種長度的連線線段組成，其中也有一些可編程的連接開關，它們用于邏輯塊之間、邏輯塊與輸入／輸出塊之間的連接。

                   典型的PLD的框圖

對用戶而言，CPLD與FPGA的內部結構稍有不同，但用法一樣，所以多數(shù)情況下，不加以區(qū)分。

FPGA／CPLD芯片都是特殊的ASIC芯片，它們除了具有ASIC的特點之外，還具有以下幾個優(yōu)點：

·隨著VlSI(Very Large Scale IC，超大規(guī)模集成電路)工藝的不斷提高單一芯片內部可以容納上百萬個晶體管， FPGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

·FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設計人員承擔投片風險和費用，設計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設計。所以， FPGA／CPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費。

·用戶可以反復地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同軟件就可實現(xiàn)不同的功能。所以，用FPGA／PLD 試制樣片，能以最快的速度占領市場。 FPGA／CPLD軟件包中有各種輸入工具和仿真工具，及版圖設計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設計人員在很短的時間內就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。當電路有少量改動時，更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢。電路設計人員使用FPGA／CPLD進行電路設計時，不需要具備專門的IC(集成電路)深層次的知識， FPGA／CPLD軟件易學易用，可以使設計人員更能集中精力進行電路設計，快速將產(chǎn)品推向市場

由于PLD軟件已經(jīng)發(fā)展的相當完善，用戶甚至可以不用詳細了解PLD的內部結構，也可以用自己熟悉的方法：如原理圖輸入或HDL語言來完成相當優(yōu)秀的PLD設計。所以對初學者，首先應了解PLD開發(fā)軟件和開發(fā)流程。了解PLD的內部結構，將有助于提高我們設計的效率和可靠性。

    如何獲得PLD開發(fā)軟件軟件呢?   許多PLD公司都提供免費試用版或演示版(當然商業(yè)版大都是收費的），例如：可以免費從www.altera.com 上下載Altera公司的 QuartusII （web版），或向其代理商索取這套軟件。Xilinx 公司也提供免費軟件：ISE WebPack,這套可以從xilinx網(wǎng)站下載。Lattice 提供isplever Base版下載，Actel等公司也都有類似的免費軟件提供。以上免費軟件都需要在網(wǎng)上注冊申請License文件，如果您對License的安裝還有不清楚，請仔細閱讀相關網(wǎng)頁上的說明，也可以下載這篇文檔：EDA軟件的license管理與安裝。 通常這些免費軟件已經(jīng)能夠滿足一般設計的需要，當然，要想軟件功能更強大一些，只能購買商業(yè)版軟件。

如果您打算使用VHDL或Verilog HDL硬件描述語言來開發(fā)PLD/FPGA,通常還需要使用一些專業(yè)的HDL開發(fā)軟件,這是因為FPGA廠商提供的軟件的HDL綜合能力一般都不是很強,需要其他軟件來配合使用,詳細情況可以通過瀏覽:開發(fā)軟件欄目獲得等多信息.

    對于PLD產(chǎn)品，一般分為：基于乘積項（Product-Term）技術，EEPROM（或Flash）工藝的中小規(guī)模PLD，以及基于查找表（Look-Up table）技術，SRAM工藝的大規(guī)模PLD/FPGA。EEPROM工藝的PLD密度小，多用于5,000門以下的小規(guī)模設計，適合做復雜的組合邏輯，如譯碼。SRAM工藝的PLD(FPGA)，密度高，觸發(fā)器多，多用于10,000門以上的大規(guī)模設計，適合做復雜的時序邏輯，如數(shù)字信號處理和各種算法。如希望進一步了解PLD/FPGA結構與原理，請點擊此處。

目前有多家公司生產(chǎn)CPLD/FPGA，******的三家是：ALTERA，XILINX，Lattice, 您可以參閱PLD廠商欄目獲得更多信息

 

    在PLD/FPGA開發(fā)軟件中完成設計以后，軟件會產(chǎn)生一個最終的編程文件（如 .pof ）。如何將編程文件燒到PLD芯片中去呢？

    1.對于基于乘積項（Product-Term）技術，EEPROM(或Flash)工藝的PLD（如Altera的MAX系列，Lattice的大部分產(chǎn)品，Xilinx的XC9500，Coolrunner系列)， 廠家提供編程電纜，電纜一端裝在計算機的并行打印口上，另一端接在PCB板上的一個十芯插頭，PLD芯片有四個管腳（編程腳）與插頭相連。（如圖）         

它向系統(tǒng)板上的器件提供配置或編程數(shù)據(jù)，這就是所謂的在線可編程（ISP，如下圖）。Byteblaster使用戶能夠獨立地配置PLD器件，而不需要編程器或任何其它編程硬件。編程電纜可以向代理商購買，也可以根據(jù)廠家提供的編程電纜的原理圖自己制作，成本僅需一，二十元。早期的PLD是不支持ISP的，它們需要用編程器燒寫。目前的PLD都可以用ISP在線編程，也可用編程器編程。這種PLD可以加密，并且很難解密，所以常常用于單板加密。 

    2.對于基于查找表（LUT，Look-Up table）技術，SRAM工藝的FPGA（如Altera的所有FPGA，如ACEX，Cyclone,Stratix系列，Xilinx的所有FPGA，如Spartan,Virtex系列，Lattice的EC/ECP系列等），由于SRAM工藝的特點，掉電后數(shù)據(jù)會消失，因此調試期間可以用下載電纜配置PLD器件，調試完成后，需要將數(shù)據(jù)固化在一個專用的EEPROM中（用通用編程器燒寫，也有一些可以用電纜直接改寫），上電時，由這片配置EEPROM先對FPGA加載數(shù)據(jù)，十幾個毫秒到幾百個毫秒后，F(xiàn)PGA即可正常工作。(亦可由CPU配置FPGA)。但SRAM工藝的PLD一般不可以直接加密。

   3.還有一種反熔絲（Anti-fuse）技術的FPGA，如Actel，Quicklogic的部分產(chǎn)品就采用這種工藝。但這種的PLD是不能重復擦寫，需要使用專用編程器，所以開發(fā)過程比較麻煩，費用也比較昂高。但反熔絲技術也有許多優(yōu)點：布線能力更強，系統(tǒng)速度更快，功耗更低，同時抗輻射能力強，耐高低溫，可以加密，所以在一些有特殊要求的領域中運用較多，如軍事及航空航天。為了解決反熔絲FPGA不可重復擦寫的問題，Actel等公司在90年代中后期開發(fā)了基于Flash技術的FPGA，如ProASIC系列，這種FPGA不需要配置，數(shù)據(jù)直接保存在FPGA芯片中，用戶可以改寫（但需要10幾伏的高電壓）。

   隨著技術的發(fā)展，在2004年以后，一些廠家推出了一些新的PLD和FPGA，這些產(chǎn)品模糊了PLD和FPGA的區(qū)別。例如Altera最新的MAXII系列PLD，這是一種基于FPGA（LUT）結構，集成配置芯片的PLD，在本質上它就是一種在內部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置時間極短，上電就可以工作，所以對用戶來說，感覺不到配置過程，可以傳統(tǒng)的PLD一樣使用，加上容量和傳統(tǒng)PLD類似，所以altera把它歸作PLD。 還有像Lattice的XP系列FPGA，也是使用了同樣的原理，將外部配置芯片集成到內部,在使用方法上和PLD類似，但是因為容量大，性能和傳統(tǒng)FPGA相同，也是LUT架構，所以Lattice仍把它歸為FPGA。