1.1 可编程逻辑设计技术简介

本节在讨论可编程逻辑器件发展简史的基础上简述目前常用的可编程逻辑器件的分类。

1.1.1 可编程逻辑器件发展简史

随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路（VLSIC）逐步发展到今天的专用集成电路（ASIC）。ASIC的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，缩小了设计的物理尺寸，推动了社会的数字化进程。但是，ASIC设计周期长、改版投资大、灵活性差等缺陷，制约了ASIC的应用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，可根据需要在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的ASIC并马上投入使用，这是提出可编程逻辑器件的基本思想。

可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。从早期的只能存储少量数据，完成简单逻辑功能的可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（E2PROM），发展到能完成中大规模的数字逻辑功能的可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL），今天已经发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程逻辑器件（FPGA）。随着工艺技术的发展与市场需要，超大规模、高速、低功耗的新型FPGA/CPLD不断推陈出新。新一代的FPGA甚至集成了中央处理器（CPU）或数字处理器（DSP）内核，在一片 FPGA 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统（System On Programmable Chip，SOPC）提供了强大的硬件支持。

1.1.2 可编程逻辑器件分类

广义上讲，可编程逻辑器件是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。目前常用的可编程逻辑器件主要有简单的逻辑阵列（PAL/GAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程逻辑阵列（FPGA）等3大类。

PAL/GAL。PAL是Programmable Array Logic的缩写，即可编程阵列逻辑；GAL是Generic Array Logic的缩写，即通用可编程阵列逻辑。PAL/GAL是早期可编程逻辑器件的发展形式，其特点是大多基于E2CMOS工艺，结构较为简单，可编程逻辑单元多为与阵列和或阵列，可编程单元密度较低，仅能适用于某些简单的数字逻辑电路。虽然PAL/GAL密度较低，但是它们一出现即以其低功耗、低成本、高可靠性、软件可编程、可重复更改等特点引发了数字电路领域的巨大振动。虽然目前较复杂的逻辑电路一般使用CPLD甚至FPGA完成，但是对于很多简单的数字逻辑，GAL等简单的可编程逻辑器件仍然被大量使用。目前，国内外很多对成本十分敏感的设计都在使用GAL等低成本可编程逻辑器件，越来越多的74系列逻辑电路被GAL取代。GAL等器件发展至今已经20多年，新一代的GAL以功能灵活、小封装、低成本、重复可编程、应用灵活等优点仍然在数字电路领域扮演着重要的角色。目前，比较大的GAL器件供应商主要是Lattice半导体。

(1) CPLD。

CPLD是Complex Programmable Logic Device的缩写，即复杂的可编程逻辑器件。Altera为了突出特性，曾将自己的CPLD器件称为EPLD（Enhanced Programmable Logic Device），即增强型可编程逻辑器件。其实EPLD和CPLD属于同等性质的逻辑器件，目前Altera为了遵循称呼习惯，已经将其EPLD统称为CPLD。CPLD是在PAL、GAL的基础上发展起来的，一般采用E2CMOS工艺，也有少数厂商采用Flash工艺，其基本结构由可编程I/O单元、基本逻辑单元、布线池和其他辅助功能模块构成。CPLD可实现的逻辑功能比PAL和GAL有了大幅度提升，一般可以完成设计中较复杂、较高速度的逻辑功能，如接口转换、总线控制等。CPLD的主要器件供应商有Altera、Lattice和Xilinx等。

(2) FPGA。

FPGA是Filed Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程逻辑阵列。FPGA是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，一般采用SRAM工艺，也有一些专用器件采用Flash工艺或反熔丝（Anti-Fuse）工艺等。FPGA的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。FPGA的基本组成部分有可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核等。FPGA的主要器件供应商有Xilinx、Altera、Lattice、Actel和Atmel等。