PLD应用的方方面面

可编程逻辑器件(PLD)是由用户进行编程从而实现所需逻辑功能的数字集成电路（IC），利用PLD内部的逻辑结构可以实现任何布尔表达式或者寄存器函数。PLD是在ASIC设计的基础上发展起来的。在未来三年内，PLD将成为世界半导体产品市场上发展最快的领域。

可编程技术的实现途径通常可以分成两种：

1、 一次编程OTP

(One Time Programmable)；

2、可再编程

(Re-programmable)。

熔丝编程和反熔丝编程都属于OTP技术。所谓熔丝编程，即通过电路内部的可熔化的金属连线来连接电路内部，然后借助一定的电流把适当的连线熔化，以便达到可编程之目的，这种技术现在仍然在简单可编程逻辑器件(SPLD)中得到应用；所谓反熔丝编程，则是通过在电路中的两层金属和它们之间的无定形硅连接，通过一定的电流后，就可以形成电流通路，这种在电路编程时形成的连线通常非常细小，其电阻率很低，这种方法一般要求芯片内拥有大量的可编程晶体管，才能实现一定的功能。目前，Actel和 QuickLogic的FPGA产品中都采用这种技术。这种技术使其在电源关闭之后程序仍然可以保留在电路中，无需在电源启动后重新载入程序。

目前 ，最引人注目的编程技术是基于EPROM(Electrically Programmable Read- Only Memory)技术，该技术已经在Cypress、Atmel、Xilinx、Altera和ICT公司等多种产品中得到广泛应用，可用于SPLD，也可用于复杂可编程逻辑器件(CPLD)。

PLD技术的运用，能够使设计工程师们借助PLD高速实现和修改功能性硬件，以极短的时间推出原型，进而实现Internet的远距离控制；与此同时，由于PLD所具有的灵活性，使产品极容易适应各种不同的应用领域，极容易由用户自行配置，使其在维持硬件原有水平的同时，能够根据实际的需要或者变化进行调整。因此，PLD 技术在相当多的领域得到了广泛的应用。例如TTL等标准逻辑IC，仅能提供特定的逻辑，不能由用户根据具体设计的需要进行必要的修改。IC制造厂商向市场推出已经封装好的PLD芯片之后，其逻辑功能依然可以由用户采用电子设计自动化(EDA)工具进行调整和修改。这种PLD芯片作为一种通用芯片，可以大批量制造以便降低生产成本；与此同时，这种PLD芯片可供用户将自己设计的电路写入芯片，使其成为 ASIC，能够满足用户的需求，因此，这种PLD芯片无论对厂商和用户都大有好处。

PortalPlayer公司成立于1999年6月，主要提供端到端数字媒体基础构件的解决方案，目前该公司从事MP3相关技术的研发，其目标是在一年内推出MP3的系统方案，这套方案包括播放器ASIC，播放器硬件和PC应用软件。PortalPlayer 设计工程师面临的最大挑战是在一年内实现以下任务：(1)创建百万门以上的ASIC设计，(2) 在进行ASIC投片之前的设计验证 (3)开发相关的硬件和软件。他们早就确定采用PLD帮助自己完成这3个目标。首先，在设计中，PortalPlayer 决定广泛采用已生成IP，这样他们的内部设计小组能够专心致力于自己的内核研制，全面缩短设计开发时间。他们通过多种渠道获得包括32位RISC处理器等的IP块，包括PLD厂商的IP。

PortalPlayer设计工程师需要的硬件方案接近最终ASIC的性能，他们选择在最高速度下运行状态最佳的PLD：40万门，APEX 20K400，首要目标是制作一个设计原始版本。虽然完整的ASIC设计并不适合于APEX器件实现 ，但是 MP3 播放技术的核心足以展示PortalPlayer体系的基本操作。这个设计大约需要10万门，占用APEX器件25%资源。他们在短短一个月内建立了一个硬件平台。紧接着，PortalPlayer设计小组采用PLD技术验证ASIC结构中的其余部分。既然完整的ASIC设计比APEX器件要大，该小组分别实现并验证设计的各个部分，测试相关模块之间的互操作性。尽管不能在APEX器件内测试模拟部分，但 70% 以上是由PLD验证的，由于采用PLD技术进行验证，使整个设计周期缩短了5个月，大大节省了开发时间。

NetScreen Technologies公司是一家Internet安全设备制造商，这家公司在设计、开发和生产与Internet有关的防火墙以及虚拟专用网(VPN)的硬件产品时，采用了PLD 技术。由于速度是大多数重要设计的目标之一，因此， NetScreen Technologies公司以速度为标准选择PLD。

NetScreen Technologies公司选择了具有大规模嵌入存储结构和快速访问时间的PLD。据他们估计，PLD和ASIC结合使用为其节省了近一个月的开发时间，使其能够为他们的产品增加可重配置性。

目前，NetScreen已将一些PLD的设计移植到专用设备上，以便最大可能地降低费用。他们的设计小组仍旧依赖于可编程逻辑尽快实现ASIC的原型，其中一些需要现场配置的PLD产品仍然依靠着可编程器件的灵活性。这种可配置性使得NetScreen产品可以在硬件中根据不同的操作环境，如标准的更新或黑客攻击方式的改变而修改更高层的功能。

Terayon Communication Systems公司是一家致力于宽带语音、 数据和视频系统的宽带通信系统生产厂商。该厂商借助PLD技术将灵活性和可重配置性融入自己的产品中，使其在有线数据接入市场上与众不同。有线数据接入系统中保持QoS(服务质量)往往存在许多难题，例如，各种不同款式的调制解调器(modem)用户的数量、时间和使用类型都是动态变化的。Cable modem 系统通常包括两类部件：线缆调制解调器(cable modem)和线缆调制解调器终端系统 CMTS(cable modem termination system)。CMTS由接入服务商提供，从而形成从调制解调器用户到路由器、交换器或专用骨干网的链路。随着网络通信的迅猛发展，对设备提出了更高的灵活性要求，Terayon的产品在设计、开发和生产过程中采用PLD技术，实现了产品的高度灵活性。Terayon的产品极容易由用户自行配置，使其在维持硬件原有水平的同时，能够根据实际的需要或者变化进行调整。因此，Terayon 的产品深受用户青睐。

PLD是从70年代开始起步的新型逻辑器件，80年代得到了较快的发展，应用增加，90年代以来，PLD成为世界半导体业发展最快的产品之一。

早期的PLD产品仅有几百门，随着PLD技术的不断发展，PLD的规模也不断扩大。最近两年速度更是惊人，前几年PLD器件仅有几万门，目前已经高达数百万系统门甚至上千万系统门。

与此同时，随着集成度的不断提高，PLD产品的性能大为改善，功能也不断增多。早期的PLD产品仅能够实现一些简单的逻辑功能，而现在已经逐渐把DSP、MCU、存储器及应用接口等集成到PLD中，使得PLD功能大为增强，并且逐渐转向可编程系统芯片(SOPC)，在可编程逻辑芯片上直接实现系统集成。目前，PLD 产品的速度通常都能够基本上满足一般系统的设计要求。一旦用户将所有主要的功能块集成之后，可以很方便地随着标准改变而重新配置，从而能够大大缩短开发周期，并且降低开发成本。

随着Internet用户的爆炸式增长和Internet技术的迅猛发展，远程配置系统的市场需求量越来越大，世界顶级PLD厂商正在适应市场的新需求，开始提出并完善多种多样的PLD远程控制方案，这些新方案将会在网络通信、网络设备等方面得到越来越多的应用，从而使协议的升级更新能够更快地完成，工程师们无需到现场，而是远程控制操作，不仅节省了大量的人力物力财力，而且也大大加快了升级速度。

目前，世界PLD市场上，各种PLD产品之间的竞争日趋激烈，随着FPGA产品性能的不断提高，正逐渐蚕食ASIC市场，然而，FPGA 的低端市场却由于CPLD的发展而受到强烈的冲击，CPLD产品已经开始逐渐取代FPGA 低端产品。

Dataquest目前新发布的一份预测报告显示，到2003年，世界PLD市场将呈现ASIC、FPGA和CPLD三足鼎立、龙争虎斗的局面。■