第1章可编程逻辑器件的基本原理.PDF

第1章可编程逻辑器件的基本原理 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 1.2 可编程逻辑器件的分类 1.3 阵列型可编程逻辑器件 1.4 现场可编程门阵列(FPGA) 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 1.1.1 可编程逻辑器件的发展概况 自20世纪60年代以来，数字集成电路已经历了从SSI、MSI 到LSI 、VLSI 的发展过程。20世纪70年代初以1 Kb存储器为标 志的大规模集成电路(LSI) 问世以后，微电子技术得到了迅猛发 展，集成电路的集成规模几乎以平均每1～2年翻一番的惊人速 度迅速增长。集成技术的发展也大大促进了电子设计自动化 (EDA)技术的进步。20世纪90年代以后，由于新的EDA工具不 断出现，使设计者可以直接设计出系统所需要的专用集成电 路，从而给电子系统设计带来了革命性的变化。 第1章可编程逻辑器件的基本原理 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、高可靠性和必威体育官网网址性好等优点。 专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，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。 第1章可编程逻辑器件的基本原理 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。 第1章可编程逻辑器件的基本原理 门阵列(Gate Array)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(Standard Cell)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。 第1章可编程逻辑器件的基本原理 可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，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。 第1章可编程逻辑器件的基本原理 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(Programmable Logic Array ，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。 第1章可编程逻辑器件的基本原理 20世纪70年代末美国MMI(Monolithic Memories Inc ，单片 存储器公司)率先推出了可编程阵列逻辑(Programma