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可编程逻辑器件

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可编程逻辑器件  为专门目的而设计的电路称为专用集成电路(ASIC),专用集成电路减小了电路的体积、重量、功耗,而且大大提高了电路的稳定性。然而在用量不大的情况下,设计和制造这样的专用集成电路不仅成本很高,而且设计制造的周期也太长。可编程逻辑器件的研制为解决这个矛盾提供了一条比较理想的途径。   可编程逻辑器件(programmable logic device)即PLD。   PLD是做为一种通用集成电路而产生的,它的逻辑功能是由用户对器件编程来确定的。通过编程,PLD能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74电路,都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。而且一般的PLD的集成度很高,足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上,而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。

  逻辑器件可分类两大类:固定逻辑器件和可编程逻辑器件。固定逻辑器件中的电路是永久性的,它们完成一种或一组功能,一旦制造完成,就无法改变。而可编程逻辑器件(PLD)是能够为客户提供范围广泛的多种逻辑能力、特性、速度和电压特性的标准成品部件,而且此类器件可在任何时间改变,从而完成许多种不同的功能。

  与一般数字芯片不同的是:PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定,有些类型的PLD也允许在规划决定后再次进行变更、改变,而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路,无法在出厂后再次改变,事实上一般的模拟芯片、混讯芯片也都一样,都是在出厂后就无法再对其内部电路进行调修。

  对于固定逻辑器件,根据器件复杂性的不同,从设计、原型到最终生产所需要的时间可从数月至一年多不等。 而且,如果器件工作不合适,或者如果应用要求发生了变化,那么就必须开发全新的设计。对于可编程逻辑器件,设计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发、仿真和测试其设计。 然后,可快速将设计编程到器件中,并立即在实际运行的电路中对设计进行测试。 采用PLD的另一个关键优点是在设计阶段中客户可根据需要修改电路,直到对设计工作感到满意为止。 这是因为PLD基于可重写的存储器技术--要改变设计,只需要简单地对器件进行重新编程。 一旦设计完成,客户可立即投入生产,只需要利用最终软件设计文件简单地编程所需要数量的PLD就可以了。

  固定逻辑器件和PLD各有自己的优点。 例如,固定逻辑设计经常更适合大批量应用,因为它们可更为经济地大批量生产。 对有些需要极高性能的应用,固定逻辑也可能是最佳的选择。

  然而,可编程逻辑器件提供了一些优于固定逻辑器件的重要优点,包括:

  (1)在设计过程中为客户提供了更大的灵活性,因为对于PLD来说,设计反复只需要简单地改变编程文件就可以了,而且设计改变的结果可立即在工作器件中看到。

  (2)不需要漫长的前置时间来制造原型或正式产品 - PLD器件已经放在分销商的货架上并可随时付运。 PLD不需要客户支付高昂的NRE成本和购买昂贵的掩模组- PLD供应商在设计其可编程器件时已经支付了这些成本,并且可通过PLD产品线延续多年的生命期来分摊这些成本。

  (3)允许客户在需要时仅订购所需要的数量,从而使客户可控制库存。 采用固定逻辑器件的客户经常会面临需要废弃的过量库存,而当对其产品的需求高涨时,他们又可能为器件供货不足所苦,并且不得不面对生产延迟的现实。

  (4)甚至在设备付运到客户那儿以后还可以重新编程。

  事实上,由于有了可编程逻辑器件,一些设备制造商现在正在尝试为已经安装在现场的产品增加新功能或者进行升级。 要实现这一点,只需要通过因特网将新的编程文件上载到PLD就可以在系统中创建出新的硬件逻辑。先进的工艺技术在一系列关键领域为PLD提供了帮助:更快的性能、集成更多功能、降低功耗和成本等。同样重要的是,PLD现在有越来越多的知识产权(IP)核心库的支持,用户可利用这些预定义和预测试的软件模块在PLD内迅速实现系统功能。 IP核心包括从复杂数字信号处理算法和存储器控制器直到总线接口和成熟的软件微处理器在内的一切。 此类IP核心为客户节约了大量时间和费用 。否则,用户可能需要数月的时间才能实现这些功能,而且还会进一步延迟产品推向市场的时间。

  可编程逻辑器件的两种类型:现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,简称:FPGA)和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,简称:CPLD)。

  在这两类可编程逻辑器件中,FPGA运用一种逻辑门式的网格(Grid),这种网格与普通的“闸数组”相类似,网格可以在FPGA芯片出厂后才进行组态配置的程序性规划。FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。 现在最新的FPGA器件,如Xilinx Virtex系列中的部分器件,可提供八百万“系统门”(相对逻辑密度)。 这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器(如IBM Power PC)、大容量存储器、时钟管理系统等特性,并支持多种最新的超快速器件至器件(device-to-device)信号技术。 FPGA被应用于范围广泛的应用中,从数据处理和存储,以及到仪器仪表、电信和数字信号处理等。

  一颗CPLD内等于包含了数颗的PAL,各PAL(逻辑区块)间的互接连接也可以进行程序性的规划、刻录,CPLD运用这种多合一(All-In-ONe)的集成作法,使其一颗就能实现数千个逻辑门,甚至数十万个逻辑门才能构成的电路。但是,CPLD提供了非常好的可预测性,因此对于关键的控制应用非常理想。而且CPLD器件需要的功耗极低。



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dolphin    


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