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第 1 章 PLD 技术概述
本章将介绍 PLD 发展简史、PLD 设计流程、硬件描述语言和常用 EDA 工具。
1.1 PLD 发展简史
当今社会是数字化的社会,是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不
断地进行更新换代,它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路,发展到超大规模集
成电路(VLSI)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是,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。系统设计师们更愿意自己
设计专用集成电路 ASIC(Application Specific IC)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,并且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( FPLD),其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列
(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(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(EEPROM)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,出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片,即可编程逻辑器件
(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 能以乘积之
和的形式完成大量的组合逻辑功能。
这一阶段的产品主要有 PAL(可编程阵列逻辑)和 GAL(通用阵列逻辑)。 PAL 由
一个可编程的与阵列和一个固定的或阵列构成,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
EEPROM 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(PLA),它也由一
个与阵列和一个或阵列构成,但是这两个阵列的连接关系都是可编程的。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 GAL(Generic Array Logic),如
GAL16V8、GAL22V10 等。它采用 EEPROM 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,至今仍有许多人在使用。
这些早期 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
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PAL 结构的扩展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Device)和与标准门阵列类似的
FPGA(Field Programmable Gate Array),它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高
以及适用范围宽等特点。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。与门阵列等其他 ASIC 相比,它们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之中。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。
FPGA(现场可编程门阵列)和 CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件,
它们是在 PAL、GAL 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL、GAL 等相比较,
FPGA/CPLD 的规模比较大,它可以替代几十甚至几千块通用 IC 芯片。这样的 FPGA/CPLD
实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普
遍欢迎。经过了十几年的发展,许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就
是 Xilinx 公司的 FPGA 器件系列和 Altera 公司的 CPLD 器件系列,它们开发较早,占用了
较大的 PLD 市场。通常来说,在欧洲用 Xilinx 的人多,在日本和亚太地区用 Altera 的人多,
在美国则是平分秋色。全球 60%以上的 FPGA/CPLD 产品是由 Altera 和 Xilinx 提供的。可
以说 Altera 和 Xilinx 共同决定了 PLD 技术的发展方向。当然还有许多其他类型器件,如
Lattice、Vantis、Actel、Quicklogic、Lucent 等。
目前,PLD 工艺已经达到 65 纳米数量级,正向 45 纳米迈进。2005 年 Altera 公司生产
可编程逻辑芯片的集成度达 5 亿只晶体管。原来需要成千上万只电子元器件组成的电子设
备电路,现在以单片超大规模集成电路即可实现,为 SOC 技术和 SOPC 的发展开拓了可实
施的空间。
SOC 称为片上系统,它是指将一个完整产品的功能集成在一个芯片上或芯片组上。SOC
中可以包括微处理器 CPU、数字信号处理器 DSP、存储器(ROM、RAM、Flash 等)、总
线和总线控制器、外围设备接口等,还可以包括数模混合电路(放大器、比较器、A/D 和
D/A 转换器、锁相环等),甚至延拓到传感器、微机电和微光电单元。
SOC 是专用集成电路系统,其设计周期长,设计成本高,SOC 的设计技术难以被中小
企业、研究所和大专院校采用。为了让 SOC 技术得以推广,Altera 公司于 21 世纪初推出
SOPC 新技术和新概念。SOPC 称为可编程片上系统,它是基于可编程逻辑器件 PLD(FPGA
或 CPLD)可重构的 SOC。SOPC 集成了硬核或软核 CPU、DSP、锁相环(PLL)、存储器、
I/O 接口及可编程逻辑,可以灵活高效地解决 SOC 方案,且设计周期短、设计成本低,一
般只需要一台配有 SOPC 开发软件的 PC 机和一台 SOPC 试验开发系统(或开发板),就
可以进行 SOPC 的设计与开发。目前,SOPC 技术已成为备受众多中小企业、研究所和大
专院校青睐的设计技术。
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1.2 PLD 设计流程
PLD 设计的大部分工作是在EDA 软件工作平台上进行的,PLD 设计流程如图 1.1 所示。
EDA 设计流程包括设计准备、设计输入、设计处理和器件编程4 个步骤,以及相应的功能
仿真、时序仿真和器件测试 3 个设计验证过程。
图 1.1 PLD 设计流程
1.2.1 设计准备
设计准备是指设计者在进行设计之前,依据任务要求,确定系统所要完成的功能及复
杂程度,器件资源的利用、成本等所要做的准备工作,如进行方案论证、系统设计和器件
选择等。
1.2.2 设计输入
设计输入是指将 PLD 设计的系统或电路按照 EDA 开发软件要求的某种形式表示出来,
并送入计算机的过程。设计输入有多种方式,包括采用硬件描述语言(如 AHDL、VHDL
和 Verilog HDL 等)进行设计的文本输入方式、图形输入方式和波形输入方式,或者采用
文本、图形两者混合的设计输入方式。也可以采用自顶向下(Top-Down)的层次结构设计
方法,将多个输入文件合并成一个设计文件等。
1. 图形输入方式
图形输入也称为原理图输入,这是一种最直接的设计输入方式,它使用软件系统提供
的元器件库及各种符号和连线画出设计电路的原理图,形成图形输入文件。这种方式大多
用在对系统及各部分电路很熟悉的情况下,或在系统对时间特性要求较高的场合。优点是
容易实现仿真,便于信号的观察和电路的调整。
2. 文本输入方式
文本输入是指采用硬件描述语言进行电路设计的方式。硬件描述语言有普通硬件描述
语言和行为描述语言,它们用文本方式描述设计和输入。普通硬件描述语言有 AHDL、CUPL
等,它们支持逻辑方程、真值表、状态机等逻辑表达方式。
行为描述语言是目前常用的高层硬件描述语言,包括 VHDL、Verilog HDL 等,它们
具有很强的逻辑描述和仿真功能,可实现与工艺无关的编程与设计,可以使设计者在系统
设计、逻辑验证阶段便确立方案的可行性,而且输入效率高,在不同的设计输入库之间转
换也非常方便。运用 VHDL 或 Verilog HDL 硬件描述语言进行设计已是当前的趋势。
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