發(fā)展歷史

可編程邏輯器件伴隨著半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展而不斷發(fā)展，其發(fā)展可以劃分為以下4個階段:

1.第一階段

20世紀(jì)70年代，可編程器件只有簡單的可編程只讀存儲器（PROM）、紫外線可擦除只讀存儲器（EPROM）和電可擦除只讀存儲器（EEPROM）3種，由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。

2.第二階段

20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上稍微復(fù)雜的可編程陣列邏輯（PAL）和通用陣列邏輯(GAL)器件，正式被稱為PLD，它們能夠完成各種邏輯運算功能。典型的PLD由“與”、“非”陣列組成，用“與或”表達(dá)式來實現(xiàn)任意組合邏輯，所以PLD能以乘積和形式完成大量的邏輯組合。PAL器件只能實現(xiàn)可編程，在編程以后無法修改；如需要修改，則需要更換新的PAL器件。但GAL器件不需要進(jìn)行更換，只要在原器件上再次編程即可。

3.第三階段

20世紀(jì)90年代，眾多可編程邏輯器件廠商推出了與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的FPGA和類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴展性CPLD提高了邏輯運算的速度，具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高和適用著圍寬等特點，兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)超太規(guī)模的電路，編程方式也很靈活，成為產(chǎn)品原型設(shè)計和中小規(guī)模（一般小于10000)產(chǎn)品生產(chǎn)的首選。

4.第四階段

21世紀(jì)初，現(xiàn)場可編程門陣列和CPU相融合，并且集成到了單個的FPGA器件中。典型的，Xilinx推岀了兩種基于FPGA的嵌人式解決方案：

(1)FPGA器件內(nèi)嵌了時鐘頻率高達(dá)500MHz的PowerPC硬核微處理器和1GHZ的ARM Cortex-A9雙核硬核嵌入式處理器。

(2)提供了低成本的嵌入式軟核處理器，如：MicroBlaze、PicoBlaze。

通過這些嵌人式解決方案，實現(xiàn)了軟件需求和硬件設(shè)計的完美結(jié)合，使FPGA的應(yīng)用范圍從數(shù)字邏輯擴展到了嵌人式系統(tǒng)領(lǐng)域。

可編程邏輯器件工藝

1.熔絲連接工藝

最早允許對器件進(jìn)行編程的技術(shù)是熔絲連接技術(shù)。在釆用這種技術(shù)的器件中，所有邏輯靠熔絲連接。熔絲器件只可編程一次，一旦編程，永久不能改變。

熔絲的編程原理如圖2.1所示。進(jìn)行編程時，需要將熔絲燒斷；編程完成后，相應(yīng)的熔絲被燒斷，如圖2.2所示。

2.反熔絲連接工藝

反熔絲技術(shù)和熔絲技術(shù)相反，在未編程時，熔絲沒有連接；編程后，熔絲將和邏輯單元連接。反熔絲開始是連接兩個金屬的微型非晶硅柱，未編程時，呈高阻狀態(tài)；編程結(jié)束后，形成連接。反熔絲器件只可編程一次，一旦編程，永久不能改變。

反熔絲的編程原理如圖2.3所示。進(jìn)行編程時，需要將熔絲連接；編程完成后，相應(yīng)的熔絲被連接，如圖2.4所示。

3.SRAM工藝

SRAM的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。基于靜態(tài)存儲器SRAM的可編程器件，值被保存在SRAM中時，只要系統(tǒng)正常供電，信息就不會丟失，否則信息將丟失。SRAM存儲數(shù)據(jù)需要消耗大量的硅面積，且斷電后數(shù)據(jù)丟失，但是這種器件可以反復(fù)地編程和修改。

絕大多數(shù)的FPGA都采用這種工藝，這就是FPGA外部都需要有一個PROM芯片來保存設(shè)計代碼的原因。

4.掩膜工藝

ROM是非易失性的器件，系統(tǒng)斷電后，將信息保留在存儲單元中。掩膜器件可以讀出信息，但是不能寫入信息。ROM單元保存了行粕列數(shù)據(jù)，形成一個陣列，每一列有負(fù)載電阻使其保持邏輯1，每個行列的交叉有一個關(guān)聯(lián)晶體管和一個掩膜連接，如圖2.6所示。

注：這種技術(shù)代價比較高，基本上很少使用。

下面對其工作原理進(jìn)行推導(dǎo)，以幫助讀者理解上圖所實現(xiàn)的功能。

PROM工藝

PROM是非易失性器件，系統(tǒng)斷電后，信息被保留在存儲單元中。PROM器件可以編程一次，以后只能讀數(shù)據(jù)而不能寫入新的數(shù)據(jù)。PROM單元保存了行和列數(shù)據(jù)，形成一個陣列，每一列有負(fù)載電阻使其保持邏輯1，每個行列的交叉有一個關(guān)聯(lián)晶體管和一個掩模連接，如下圖所示。

如果可以多次編程，就稱為EPROM和EEPROM技術(shù)。

6.FLASH工藝

釆用FLASH技術(shù)的芯片的擦除速度比采用PROM技術(shù)的芯片要快得多。FLASH技術(shù)可采用多種結(jié)構(gòu)，與EPROM單元類似，具有一個浮置柵晶體管單元和EEPROM器件的薄氧化層特性。

編輯：hfy