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VHDL简介 1 FPGA的发展及特点 ① 发展历史 　 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）三种。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”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（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（GAL， Generic Array Logic），如GAL16V8、GAL22V10等。它采用了E＇PROM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和Xilinx分别推出了类似于PAL结构 的扩展型CPLD（Complex Programmable 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（Application Specific IC）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、标准产品不需测试、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）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是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的 一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 ② FPGA的基本特点 FPGA采用了逻辑单元阵列（LOA，Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块（CLB，Configurable Logic Block）、输入输出模块（IOB，Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有： 1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片； 2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的试样片； 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚； 4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一； 5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度和可靠性的最佳选择之一。 目前FPGA的品种很多，有XILINX的xc系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的。因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状 态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失。因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程不需专用的FPGA编程器，只需用通用的EPROM、 PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA、不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此， FPGA的使用非常灵活。 FPGA有下面4种配置模式： 1）并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式； 2）主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA： 3）串行模式可以采用串行PROM编程FPGA； 4）外设模式可以将FP