第1章EDA与可编程器件概述

1.1 可编程芯片技术的发展

当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。计算机、通信网络设备、移动电话、数字电视，各种自动化设备都要用到数字集成电路。与此同时，数字集成电路本身也在不断地进行更新换代。它由早期的小规模集成电路发展到超大规模集成电路，而按照摩尔效应的规律，超大规模集成电路的集成度正在不断刷新。目前正向着低电压、低功耗、高速度迈进。

在集成电路开发的过程中，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入到实际应用中，于是，出现了现场可编程逻辑器件（FPLD）。其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。

可编程逻辑器件（PLD）能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积、和的形式完成大量的组合逻辑功能。

早期的可编程逻辑器件规模非常小，只有用熔丝方式才能得到可编程性能，且只能编程一次，后来开发出了紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（EEPROM）。这一阶段的产品主要有PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑）。PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术等。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列（PLA），它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，又有掩膜可编程的。在PAL的基础上，又开发了一种通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL），它采用EEPROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因此它的设计具有很强的灵活性。

早期的PLD器件可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。20世纪80年代中期，Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型EPLD（Erasable Programmable Logic Device）和与标准门阵列类似的FPGA（Field Programmable Gate Array），它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。与门阵列等其他ASIC相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无须测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计。