可编程逻辑器件的发展

可编程逻辑器件的发展
80年代中期以来，ASIC得到广泛的重视与应用。

虽然ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统可靠性，减少了产品的物理尺寸，但是其依旧存在着一些弊端。

ASIC芯片都必须到IC厂家去加工制造，同时其设计制造周期长，且一旦有了错误，需重新修改设计和制造，成本和时间大大增加。

基于此，诞生了可编程逻辑器件，其是ASIC的一个重要分支。

可编程逻辑器件高速发展，继续向更高密度，更大容量迈进，低密度PLD依然走俏，同时其向低电压，低功耗的方向发展，IP核也得到进一步的发展。

可编程逻辑器件可以分为CPLD和FPGA。

1CPLD的发展与特点
CPLD在80年代中期由Altera公司推出，其结构类似于PAL。

早期的可编程逻辑器件由可编程逻辑器件(PLD)发展到可编程阵列逻辑(PAL)，再到可编程逻辑阵列(PLA)，再到通用阵列逻辑(GAL),最终发展到CPLD。

PLD是最早的可编程逻辑器件，它包含两个基本部分：逻辑阵列和输出单元。

逻辑阵列是用户可编程的部分，它由“与”矩阵、“或”矩阵及反相器组成；输出单元的作用是使设计者能改变PLD的输出结构。

输入信号通过“与”矩阵组合成为乘积项，这些乘积项在“或”矩阵中相加，经输出单元或宏单元输出。

PLD 器件包括4中基本类型：PROM,PLA,PAL,GAL。

1.1 PROM
PROM类型下与阵列是固定的，不需编程，灵活性较差。

而大多数逻辑阵列函数不需要使用输入的全部可能组合，这就使得PROM的与阵列不能充分利用，造成浪费。

为了增大芯片容量，与阵列可以做得很大，但阵列越大，开关延迟时间越长，速度越慢。

从而产生了PLA结构。

1.2 PLA
PLA中包含一个可编程连接的“与”矩阵和一个可编程连接的“或”矩阵，为了减小阵列规模，提高器件速度，与阵列不采用全译码式，与门个数小于2的n次方。

PLA器件除了实现组合逻辑外，还可实现时序逻辑。

其对于逻辑功能的处理比较灵活，但处理逻辑功能较简单的电路时比较浪费资源，相应的编程工具话费也较大。

因此在PLA器件的基础上，发展了PAL器件和GAL等PLD器件。

1.3 PAL
可编程阵列逻辑PAL对PLA的可编程结构进行了进一步的简化，其与阵列可编程，或阵列固定。

PAL器件具有灵活的设计功能，与PLA器件相比，体积小，功耗低，速度快，有防止复制该逻辑的保密熔丝，可实现产品的加密功能。

其缺点是PAL器件采用的熔丝工艺，一旦编程，无法改写，而且不同的输出结构需要选用不同型号的PAL器件。

1.4 GAL
GAL的基本PAL结构的增强型器件，具有与PAL器件相同的基本结构形式，但是编程方式不同。

GAL采用COMS的浮栅工艺，可以重复编程，速度提高，功耗下降，具有不挥发性，在器件掉电后不必对GAL器件重新编程，同时其具有一种“安全保护单元”允许对GAL器件实现安全保护。

采用了一种可编程输出逻辑宏单元OLMC。

但是GAL有太多的输入和输出，其延时受到与阵列的影响，直接扩展GAL结构的效率不高。

1.5 CPLD
CPLD是由多个类似GAL的功能块组成，具有很长的固定于芯片上的布线资源，通过位于中心的互联矩阵连接在一起。

其采用的是多路开关的互联方式即集总总线方式，因而具有较大的时间可预测性。

总线上任意一对输入端与输出端之间的延时相等。

CPLD具有三种编程工艺：EPROM,EEROM,FLASH。

CPLD的优点是：1.不采用分段互联方式2.有较大的时间可预测性3.具有很宽的输入结构4.具
有ISP性能；缺点是：1.功耗大2.集成度小。

2FPGA的发展与特点
FPGA由Xilinx公司推出，结构与标准门阵列类似。

FPGA由逻辑功能块排列成阵列组成，并由可编程的内部连线连接这些逻辑功能块来实现不同的设计。

2.1静态/动态可重构技术
在系统空闲期间，基于SRAM编程的FPGA可以在外部逻辑的控制下，通过存储于存储器中不同的目标系统数据的重新下载，来实现芯片逻辑功能的改变。

这就成为静态系统重构技术。

常规的SRAM的FPGA只能实现静态系统重构，芯片的重新配置大约需要数毫秒到数十毫秒量级的时间；在重新配置数据的过程中，旧的逻辑在时间轴上断裂，系统功能无法动态链接。

要实现高速的动态重构，要求芯片功能的重新配置时间缩短到纳秒量级，这就需要对FPGA的结构进行革新。

由此产生了动态可重构技术。

2.2设计工具的发展
为了适应更大规模FPGA的开发，除了第3方EDA公司不断更新的通用EDA 工具外，主要PLD供应商也相继推出并适时升级其EDA开发工具。

Xilinx推出了新设计环境VIVADO，2019年推出了面向软件工程师的开发软件VITIS。

Altera 推出了Quartus Prime。

2.3SoPC时代及MPSoC来到
SoPC(System on Programmable Chip,SoPC)是一种特殊的嵌入式系统，首先它是片上系统（SoC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具备软硬件在系统可编程的特点。

MPSoC：多处理器SoC。

2.4FPGA最新发展趋势
2011年10月，赛灵思横空出世了堪称世界最大容量FPGA-Virtex-7XC7V2000T，为业界首批堆叠（3D）硅片架构的FPGA产品。

2011年3月2日，Xilinx宣布退出行业第一个可扩展处理平台Zynq-7000系列，将完整的ARMCortex-A9MPCore处理器片上系统（SoC）与28nm低功耗可编程逻辑紧密集成在一起。

2012年2月，Xilinx公司宣布开始向客户出货首款Zynq可扩展处理平台（EPP）；4月，Xilinx公司发布Vivado设计套件。

2013年2月26日，Xilinx宣布Zynq-7000器件系列全线量产，实现了又一个重大里程碑。

2015年2月25日，Xilinx宣布。

其16nmUltraScale+系列FPGA、3DIC和MPSoC凭借新型存储器、3D-on-3D和多处理SoC（MPSoC）技术、互联优化技术-SmartConnect，进一步扩展了赛灵思的UltraScale产品系列。

系统级性能功耗相比28nm器件提升了2至5倍。

2017年10月9日，Xilinx宣布其Zynq UltraScale+RFSoC系列开始发货，该系列是通过一个突破性的架构将RF信号链集成在一个单芯片SoC中，致力于加速5G无线、有限Remote-PHY及其它应用的实现。

2018年3月19日，Xilinx公司宣布退出ACAP（Adaptive Compute Acceleration Platform,自适应计算加速平台）。

ACAP可在工作过程中进行动态调节的自适应能力。

2019年6月19日，ACAP开始出货；10月9日，Xilinx宣布推出Vitis统一软件平台。