PLD是可編程邏輯器件（Programable Logic Device）的簡(jiǎn)稱，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programable Gate Array)的簡(jiǎn)稱，兩者的功能基本相同，只是實(shí)現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時(shí)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(shè)計(jì)領(lǐng)域中活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)，它的影響絲毫不亞于70年代單片機(jī)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(jiǎn)單的74電路，都可以用PLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過(guò)傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語(yǔ)言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過(guò)軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用PLD來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 PLD的這些優(yōu)點(diǎn)使得PLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時(shí)也大大推動(dòng)了EDA軟件和硬件描述語(yǔ)言（HDL)的進(jìn)步。

如何使用PLD呢？其實(shí)PLD的使用很簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)PLD比學(xué)習(xí)單片機(jī)要簡(jiǎn)單的多，有數(shù)字電路基礎(chǔ)，會(huì)使用計(jì)算機(jī)，就可以進(jìn)行PLD的開(kāi)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(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。數(shù)字集成電路本身在不斷地進(jìn)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(wàn)門以上)以及許多具有特定功能的集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不*由半導(dǎo)體廠商來(lái)獨(dú)立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們更愿意自己設(shè)計(jì)集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設(shè)計(jì)周期盡可能短，是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用zui廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和復(fù)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(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯功能。

    其后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù)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(gè)“與”門和一個(gè)“或”門陣列組成，而任意一個(gè)組合邏輯都可以用“與一或”表達(dá)式來(lái)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(gè)可編程的“與”平面和一個(gè)固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸．出可以通過(guò)觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。 PAL器件是現(xiàn)場(chǎng)可編程的，它的實(shí)現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列(PLA)，它也由一個(gè)“與”平面和一個(gè)“或”平面構(gòu)成，但是這兩個(gè)平面的連接關(guān)系是可編程的。 PLA器件既有現(xiàn)場(chǎng)可編程的，也有掩膜可編程的。  在PAL的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的PLD器件的一個(gè)共同特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過(guò)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的電路。

               

                典型的PLD的部分結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)組合邏輯的部分）

    為了彌補(bǔ)這一缺陷，20世紀(jì)80年代中期。 Altera和Xilinx分別推出了類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的FPGA(Field Programmable Gate Array)，它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)。這兩種器件兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)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(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開(kāi)發(fā)工具*、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場(chǎng)合均可應(yīng)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(shù)，SRAM工藝，要外掛配置用的EEPROM的PLD叫FPGA；把基于乘積項(xiàng)技術(shù)，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(xiàng)技術(shù)，EEPROM工藝）,FLEX系列（查找表技術(shù)，SRAM工藝）都叫作CPLD,即復(fù)雜PLD(Complex PLD),由于FLEX系列也是SRAM工藝,基于查找表技術(shù)，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(gè)小方格經(jīng)過(guò)切割，封裝后就是一片芯片）

    FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)與 CPLD(復(fù)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(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)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(shí)際上就是一個(gè)子系統(tǒng)部件。這種芯片受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。經(jīng)過(guò)了十幾年的發(fā)展，許多公司都開(kāi)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(kāi)發(fā)較早，占用了較大的PLD市場(chǎng)。通常來(lái)說(shuō)，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(guó)則是平分秋色。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(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)然還有許多其它類型器件，如：Lattice，Vantis，Ac，Quicklogic，Lucent等。 （99年Lattice收購(gòu)了Vantis，成為第三大PLD供應(yīng)商；同年Xilinx收購(gòu)了Philips的PLD部門）詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)瀏覽：PLD廠商 欄目

 

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

 

  盡管FPGA,CPLD和其它類型PLD的結(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)和長(zhǎng)處，但概括起來(lái)，它們是由三大部分組成的，

·一個(gè)二維的邏輯塊陣列，構(gòu)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(zhǎng)度的連線線段組成，其中也有一些可編程的連接開(kāi)關(guān)，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(duì)用戶而言，CPLD與FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(diǎn)之外，還具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

·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(nèi)部可以容納上百萬(wàn)個(gè)晶體管， FPGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來(lái)越大，其單片邏輯門數(shù)已達(dá)到上百萬(wàn)門，它所能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

·FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過(guò)的測(cè)試，不需要設(shè)計(jì)人員承擔(dān)投片風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)人員只需在自己的實(shí)驗(yàn)室里就可以通過(guò)相關(guān)的軟硬件環(huán)境來(lái)完成芯片的zui終功能設(shè)計(jì)。所以， FPGA／CPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費(fèi)。

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

由于PLD軟件已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)完善，用戶甚至可以不用詳細(xì)了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以用自己熟悉的方法：如原理圖輸入或HDL語(yǔ)言來(lái)完成相當(dāng)?shù)腜LD設(shè)計(jì)。所以對(duì)初學(xué)者，首先應(yīng)了解PLD開(kāi)發(fā)軟件和開(kāi)發(fā)流程。了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將有助于提高我們?cè)O(shè)計(jì)的效率和可靠性。

    如何獲得PLD開(kāi)發(fā)軟件軟件呢?   許多PLD公司都提供免費(fèi)試用版或演示版(當(dāng)然商業(yè)版大都是收費(fèi)的），例如：可以免費(fèi)從 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(fèi)軟件：ISE WebPack,這套可以從xilinx下載。Lattice 提供isplever Base版下載，Ac等公司也都有類似的免費(fèi)軟件提供。以上免費(fèi)軟件都需要在網(wǎng)上注冊(cè)申請(qǐng)License文件，如果您對(duì)License的安裝還有不清楚，請(qǐng)仔細(xì)閱讀相關(guān)網(wǎng)頁(yè)上的說(shuō)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(fèi)軟件已經(jīng)能夠滿足一般設(shè)計(jì)的需要，當(dāng)然，要想軟件功能更強(qiáng)大一些，只能購(gòu)買商業(yè)版軟件。

如果您打算使用VHDL或Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)PLD/FPGA,通常還需要使用一些專業(yè)的HDL開(kāi)發(fā)軟件,這是因?yàn)镕PGA廠商提供的軟件的HDL綜合能力一般都不是很強(qiáng),需要其他軟件來(lái)配合使用,詳細(xì)情況可以通過(guò)瀏覽:開(kāi)發(fā)軟件欄目獲得等多信息.

    對(duì)于PLD產(chǎn)品，一般分為：基于乘積項(xiàng)（Product-Term）技術(shù)，EEPROM（或Flash）工藝的中小規(guī)模PLD，以及基于查找表（Look-Up table）技術(shù)，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(shè)計(jì)，適合做復(fù)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(shè)計(jì)，適合做復(fù)雜的時(shí)序邏輯，如數(shù)字信號(hào)處理和各種算法。如希望進(jìn)一步了解PLD/FPGA結(jié)構(gòu)與原理，請(qǐng)點(diǎn)擊此處。

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

 

    在PLD/FPGA開(kāi)發(fā)軟件中完成設(shè)計(jì)以后，軟件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)zui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(duì)于基于乘積項(xiàng)（Product-Term）技術(shù)，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(jì)算機(jī)的并行打印口上，另一端接在PCB板上的一個(gè)十芯插頭，PLD芯片有四個(gè)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(dú)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(gòu)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(duì)于基于查找表（LUT，Look-Up table）技術(shù)，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(diǎn)，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)消失，因此調(diào)試期間可以用下載電纜配置PLD器件，調(diào)試完成后，需要將數(shù)據(jù)固化在一個(gè)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(shí)，由這片配置EEPROM先對(duì)FPGA加載數(shù)據(jù)，十幾個(gè)毫秒到幾百個(gè)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(shù)的FPGA，如Ac，Quicklogic的部分產(chǎn)品就采用這種工藝。但這種的PLD是不能重復(fù)擦寫，需要使用編程器，所以開(kāi)發(fā)過(guò)程比較麻煩，費(fèi)用也比較昂高。但反熔絲技術(shù)也有許多優(yōu)點(diǎn)：布線能力更強(qiáng)，系統(tǒng)速度更快，功耗更低，同時(shí)抗輻射能力強(qiáng)，耐高低溫，可以加密，所以在一些有特殊要求的領(lǐng)域中運(yùn)用較多，如軍事及航空航天。為了解決反熔絲FPGA不可重復(fù)擦寫的問(wèn)題，Ac等公司在90年代中后期開(kāi)發(fā)了基于Flash技術(shù)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(shù)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的MAXII系列PLD，這是一種基于FPGA（LUT）結(jié)構(gòu)，集成配置芯片的PLD，在本質(zhì)上它就是一種在內(nèi)部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置時(shí)間極短，上電就可以工作，所以對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，感覺(jué)不到配置過(guò)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(nèi)部,在使用方法上和PLD類似，但是因?yàn)槿萘看螅阅芎蛡鹘y(tǒng)FPGA相同，也是LUT架構(gòu)，所以Lattice仍把它歸為FPGA。