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2.1.3 可编程逻辑器件
13-01-09    奋斗的小年轻
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逻辑器件为系统执行提供了特定功能,包括设备间互连接口、数据通信、信号处理、数据显示、定时与控制操作以及其他必备的功能。从广义的角度来看,逻辑器件可以分为两大类:固定逻辑器件和可编程逻辑器件。根据分类名称可以很容易看出,固定逻辑器件对应的电路是永久不变的;只要电路制造完毕,其能够执行的功能或功能集就不会改变了。另一方面,可编程逻辑器件(PLD)则提供了范围更广的逻辑能力、功能、速度以及电压特性,基于PLD的设备可以通过重构更新程序,从而可以随时执行所需的任何功能。

使用可编程逻辑器件,设计者可以结合相对便宜的软件工具,快速完成电路系统设计的开发、仿真、测试。然后,设计可以快速下载到可编程器件中,立刻在真实电路中进行测试与验证。其中,用于系统原型设计的PLD就是最终终端设备所使用的PLD(比如网络路由器、DSL调制解调器、DVD播放器、汽车导航系统等终端设备)。与用户定制器件、固定逻辑器件相比,可编程逻辑器件不需要投资NRE费用,并且可以更快地完成最终设计。使用PLD的另一个重要优势在于:在设计阶段,用户可以根据自己的需要更新电路设计,直至满足设计需求。这是因为PLD基于可重写的存储器技术,用户只需要重新在器件上编程就可以更改设计。只要最终版设计完毕,用户就可以使用最终的软件设计文件,并将其中的编程代码下载到对应的PLD中,从而立刻得到最终产品。

1. CPLD与FPGA

两种主要的可编程逻辑器件是CPLD与FPGA。其中,FPGA提供了更高的逻辑集成度,功能更加强大。目前最大型的FPGA产品是Xilinx公司的VirtexTM系列5器件,它可以提供数量高达八百万的逻辑门。此外,该器件还提供了许多高级功能,包括内置式硬件处理器(比如IBM的power PC)、大容量存储器、时钟管理系统,并且支持许多最新的设备间信号快速通信技术等。FPGA的使用范围非常广泛,从数据处理与存储到仪表、电信、数字信号处理,都有其应用的身影。

与之对应的是,CPLD能够提供的逻辑门数量相对较少(大约一万个逻辑门)。不过,CPLD具有很好的可预测时序特性,因此对于关键控制应用而言,是相当理想的选择。CPLD(比如Xilinx公司的CoolRunnerTM系列)产品的功率很低,价格非常便宜;因此,对于低成本、低功耗的便携式应用(比如移动电话与数字手持式设备)而言,是非常合适的选择。

PLD的优势

与固定逻辑器件相比,可编程逻辑器件提供了许多重要的高级功能,具体包括:

在设计周期内,PLD为用户提供了更加灵活的设计能力;这是因为设计迭代只需要更改编程文件,然后用户就可以在实际系统中立刻看到设计更新后的结果。

对于原型或产品而言,PLD的订货时间并不长;PLD产品可以在供应商列出的货架清单上查到,其购买也是比较容易的。

PLD不需要用户支付数额庞大的NRE费用,也不需要用户购买昂贵的掩模组。事实上,PLD供应商在设计可编程器件的时候,已经承受了这些成本;供应商根据相应PLD的生命周期和销量,对上述成本进行分摊。

PLD允许用户预订自己所需元件的数量,从而能够较好地控制库存。与之对应的是,使用固定逻辑器件的用户通常会出现库存过多的情况,然后只能作为废料处理;或者是产品上市销量迅猛,而库存又缺少足够的元件,从而面临着第二波产品上市延迟的窘境。

PLD可以重新编程,即使是在设备交付给用户使用之后也是如此。事实上,正是由于可编程逻辑器件的重构能力,许多设备厂商现在都会宣传其售后服务能力:对于那些已经投放市场的产品,还可以对其进行更新升级,增加新的功能。为了实现上述功能,只需要使用Internet,上传最新的程序文件,并由用户下载到PLD中,就可以将产品升级到新的硬件逻辑状态。

最近几年间,由于可编程逻辑器件具有上述显著的技术优势,因此许多设计者都将PLD作为逻辑解决方案的首选。PLD快速发展的原因之一在于,PLD供应商(比如Xilinx公司)并不是芯片制造厂商;也就是说,Xilinx公司并没有自己的芯片制造工厂,而是将此项任务以委托加工的形式交给合作厂商(比如Toshiba公司和UMC公司,其主要业务就是承接芯片的生产制造)。上述策略使得Xilinx公司可以将设计重点放在新的产品架构、软件工具以及IP(Intellectual Property,知识产权)上,同时紧跟最先进的半导体工艺技术。由于引入了先进的工艺制造技术,PLD在以下方面取得了重大进展:性能更高(速度更快)、集成功能更多、功耗降低、成本降低。

在ASIC原型设计方面,FPGA也是特别常用的器件。设计者可以将设计文件下载到FPGA器件中,对自己的设计进行测试。设计完成之后,就能够直接生产硬件芯片,得到更加快速优秀的性能。

在若干年前,最大规模的FPGA只有上万个逻辑门,以40 MHz工作。那时的FPGA相对而言是比较昂贵的,最高端的FPGA售价通常会超过150美元。如今,具有先进功能的FPGA都可以提供上百万个逻辑门的逻辑功能,以300 MHz工作,其售价不到10美元,而且还提供了更高级的集成功能,比如处理器和存储器。

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