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什么是可编程逻辑?

在数字电子系统领域,存在三种基本的器件类型:存储器、微处理器和逻辑器件。存储器用来存储随机信息,如数据表或数据库的内容。微处理器执行软件指令来完成范围广泛的任务,如运行字处理程序或视频游戏。逻辑器件提供特定的功能,包括器件与器件间的接口、数据通信、信号处理、数据显示、时序和控制操作、以及系统运行所需要的所有其它功能。

固定逻辑与可编程逻辑

逻辑器件可分类两大类 - 固定逻辑器件和可编程逻辑器件。一如其名,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。另一方面,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。

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。设计和验证固定逻辑的前期工作需要大量的“非重发性工程成本”,或NRE。NRE表示在固定逻辑器件最终从芯片制造厂制造出来以前客户需要投入的所有成本,这些成本包括工程资源、昂贵的软件设计工具、用来制造芯片不同金属层的昂贵光刻掩模组,以及初始原型器件的生产成本。这些NRE成本可能从数十万美元至数百万美元。

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。原型中使用的PLD器件与正式生产最终设备(如网络路由器、DSL调制解调器、DVD播放器、或汽车导航系统)时所使用的PLD完全相同。这样就没有了NRE成本,最终的设计也比采用定制固定逻辑器件时完成得更快。

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。

CPLD和FPGA

可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。在这两类可编程逻辑器件中,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。

与此相比,CPLD提供的逻辑资源少得多 - 最高约1万门。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。而且如Xilinx CoolRunner?系列CPLD器件需要的功耗极低,并且价格低廉,从而使其对于成本敏感的、电池供电的便携式应用(如移动电话和数字手持助理)非常理想。

PLD市场

根据市场研究机构Gartner/Dataquest的数据,目前全球可编程逻辑器件市场约为35亿美元。固定逻辑器件市场约为120亿美元。然而,近年来,PLD销售额的增长速度已经超过基于传统门阵列技术的固定逻辑器件的销售增长速度。而且,高性能FPGA现在已开始从采用最先进的标准单元技术制造的固定逻辑器件那儿赢得市场份额。

根据半导体行业协会(SIA)提供的数据,可编程逻辑现在是半导体行业中增长最快的领域之一,在过去几年时间里,PLD的销售增长速度超过了整个半导体行业的平均销售增长速度。

主要电子设计贸易出版物《EDN》杂志说:"可编程逻辑器件是逻辑器件产品中增长最快的领域,这主要有两个基本原因。可编程逻辑器件不断提高的单片器件逻辑门数量集成了众多功能,不然的话这些功能只能采用大量分立逻辑和存储器芯片才能实现,这可以改善最终系统的体积、功耗、性能、可靠性和成本。同样重要的是这样的事实,在许多情况下只需要数十秒或分钟的时间,你就可以在工作站或系统组装线上配置和重新配置这些器件。这一能力提供了强大的灵活性,支持迅速对最后一分钟设计修改,以及在设计定型前对各种想法进行原型实验,同时还可满足在消费者需求和竞争压力下不断缩短的上市时间最终期限要求。(EDN, "PLD年度目录", 2000年8月17日.)

PLD的优点

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:

  • PLD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
  • PLD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。
  • PLD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。
  • PLD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。 过去几年时间里,可编程逻辑供应商取得了巨大的技术进步,以致现在PLD被众多设计人员视为是逻辑解决方案的当然之选。能够实现这一点的重要原因之一是象Xilinx这样的PLD供应商是"无晶圆制造厂"企业,并不直接拥有芯片制造工厂,Xilinx将芯片制造工作外包给IBM Microelectronics 和 UMC这样的主要业务就是制造芯片的合作伙伴。这一策略使Xilinx可以集中精力设计新产品结构、软件工具和IP核心,同时还可以利用最先进的半导体制造工艺技术。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。目前Xilinx采用先进的0.13um 低K铜金属工艺生产可编程逻辑器件,这也是业界最好的工艺之一。

例如,仅仅数年前,最大规模的FPGA器件也仅仅为数万系统门,工作在40 MHz。过去的FPGA也相对较贵,当时最先进的FPGA器件大约要150美元。然而,今天具有最先进特性的FPGA可提供百万门的逻辑容量、工作在300 MHz,成本低至不到10美元,并且还提供了更高水平的集成特性,如处理器和存储器。

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。

结论

可编程逻辑的价值在于其缩短电子产品制造商开发周期,以及帮助他们更快地将产品推向市场的能力。随着PLD供应商继续致力于在可编程逻辑器件中集成更多的功能、降低其成本并提高能够节约时间的IP核心的可用性,可编程逻辑一定会在数字设计人员中进一步普及开来。

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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