FPGA/CPLD與專用集成電路（ASIC）

一、ASIC、SOC技術(shù)簡(jiǎn)介及其發(fā)展動(dòng)態(tài)
專用集成電路ASIC，Application Specific Integrated Circuits，是指應(yīng)特定用戶要求或特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。
系統(tǒng)級(jí)芯片SOC，System On a Chip，就是將整個(gè)系統(tǒng)集成到單一半導(dǎo)體芯片上。更確切地說，系統(tǒng)級(jí)芯片是指綜合數(shù)字和模擬技術(shù)，并將I/O、各種轉(zhuǎn)換器件、存儲(chǔ)器和MPU集成在同一封裝內(nèi)，能夠高效實(shí)現(xiàn)特定功能的IC。
進(jìn)入八十年代后，半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)、支持技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)及測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)的規(guī)范化水平和集成度不斷提高，電子整機(jī)、電子系統(tǒng)高速更新?lián)Q代的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)不斷加強(qiáng)，為開發(fā)周期短、成本低、功能強(qiáng)、可靠性高以及專利性與保密性好的專有集成電路創(chuàng)造了必要而充分的發(fā)展條件，并很快形成了用專用集成電路取代中小規(guī)模集成電路組成電子整機(jī)或系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步熱潮。
在整個(gè)九十年代中，國際ASIC產(chǎn)品增長了5倍，目前ASIC在總的IC市場(chǎng)中的占有率已發(fā)展到近四分之一，在整個(gè)邏輯電路市場(chǎng)中的占有率已超過一半。
ASIC作為集成電路（IC）技術(shù)與特定用戶的整機(jī)或系統(tǒng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，與通用集成電路相比，在構(gòu)成電子系統(tǒng)時(shí)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)越性：
1. 縮小體積、減輕重量、降低功耗；
2. 提高可靠性，用ASIC芯片進(jìn)行系統(tǒng)集成后，外部連線減少，因而可靠性明顯提高；
3. 易于獲得高性能，ASIC是針對(duì)專門應(yīng)用而特別設(shè)計(jì)的；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)之間緊密結(jié)合，這種一體化的設(shè)計(jì)有利于獲得前所未有的高性能系統(tǒng)；
4. 可增強(qiáng)保密性，電子產(chǎn)品中的ASIC芯片對(duì)用戶來說相當(dāng)于一個(gè)黑匣子，難于仿造；
5. 在大批量應(yīng)用時(shí)，可顯著降低系統(tǒng)成本。
人類進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)時(shí)代，高新技術(shù)的發(fā)展日新月異，在眾多高技術(shù)產(chǎn)品中，系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）正在成為一道靚麗的風(fēng)景線。SOC是現(xiàn)今半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝精度不斷提高，IC集成度以驚人的速度發(fā)展的最新成果。
系統(tǒng)級(jí)芯片將具備DSP、存儲(chǔ)器和一整套專用功能，甚至電源和電源驅(qū)動(dòng)電路也將集成在同一模塊中。專家認(rèn)為，IC發(fā)展的大趨勢(shì)是高速、高集成度和低功耗的系統(tǒng)集成。系統(tǒng)級(jí)芯片能夠提高半導(dǎo)體器件的電氣性能，改善系統(tǒng)的可靠性，降低大多數(shù)應(yīng)用所需的PCB 面積，受到整機(jī)制造商的普遍歡迎。采用系統(tǒng)級(jí)芯片是整機(jī)制造商的必由之路。
系統(tǒng)級(jí)芯片具有以下的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)作，縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間，降低功耗和減少所占的PCB空間，提高系統(tǒng)的可靠性，它可使電子系統(tǒng)的尺寸更小，性能更高和成本更低。系統(tǒng)級(jí)芯片除了大大地減少了研發(fā)費(fèi)用與時(shí)間外，系統(tǒng)的功耗、體積與電磁干擾（EMI）將大幅降低，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾特性與可靠度將提高，這對(duì)于產(chǎn)品更新速度極快，對(duì)電磁干擾與抗干擾能力要求極高而又要求產(chǎn)品具有便攜性的電腦、通訊及多媒體產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家而言，尤其顯得意義重大。


二、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）與現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPLD）


CPLD和FPGA是80年代中后期出現(xiàn)的，其特點(diǎn)是具有用戶可編程的特性。利用CPLD/FPGA，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)出專用IC，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成，從而大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)、上市的時(shí)間，降低了開發(fā)成本。此外，CPLD/FPGA還具有靜態(tài)可重復(fù)編程或在線動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性，使硬件的功能可象軟件一樣通過編程來修改，不僅使設(shè)計(jì)修改和產(chǎn)品升級(jí)變得十分方便，而且極大地提高了電子系統(tǒng)的靈活性和通用能力。
1.CPLD
CPLD主要是由可編程邏輯宏單元（LMC，Logic Macro Cell）圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成，其中LMC邏輯結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定 的功能。由于 CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。
到90年代，CPLD發(fā)展更為迅速，不僅具有電擦除特性，而且出現(xiàn)了邊緣掃描及在線可編程等高級(jí)特性。較常用的有Xinlinx公司的EPLD和Altera公司的CPLD。
2. FPGA
FPGA通常包含三類可編程資源：可編程邏輯功能塊、可編程I/O塊和可編程互連?？删幊踢壿嫻δ軌K是實(shí)現(xiàn)用戶功能的基本單元，它們通常排列成一個(gè)陣列，散布于整個(gè)芯片；可編程I/O塊完成芯片上邏輯與外部封裝腳的接口，常圍繞著陣列排列于芯片四周；可編程內(nèi)部互連包括各種長度的連線線段和一些可編程連接開關(guān)，它們將各個(gè)可編程邏輯塊或I/O塊連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。不同廠家生產(chǎn)的FPGA在可編程邏輯塊的規(guī)模，內(nèi)部互連線的結(jié)構(gòu)和采用的可編程元件上存在較大 的差異。較常用的有Altera、Xinlinx和Actel公司的FPGA。
FPGA一般用于邏輯仿真。電路設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)一個(gè)電路首先要確定線路，然后進(jìn)行軟件模擬及優(yōu)化，以確認(rèn)所設(shè)計(jì)電路的功能及性能。然而隨著電路規(guī)模的不斷增大，工作頻率的不斷提高，將會(huì)給電路引入許多分布參數(shù)的影響，而這些影響用軟件模擬的方法較難反映出來，所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以實(shí)現(xiàn)硬件仿真以做成模型機(jī)。將軟件模擬后的線路經(jīng)一定處理后下載到FPGA，就可容易地得到一個(gè)模型機(jī)，從該模型機(jī)，設(shè)計(jì)者就很直觀地測(cè)試其邏輯功能及性能指標(biāo)。


三、應(yīng)用實(shí)例


筆者利用Altera 公司的CPLD 芯片EPM7128E完成了遙控汽車編碼電路及解碼電路的設(shè)計(jì)仿真，并制成了專用IC（NK8000/NK8010）。EPM7128E具有2500門，128個(gè)LMC，電可重復(fù)擦寫，常用為84腳PLCC封裝，64根可編程I/O線，適用于中小系統(tǒng)的應(yīng)用。由于EPM7128E價(jià)格便宜，所以可以直接用于系統(tǒng)產(chǎn)品中，如在工控機(jī)板卡中構(gòu)成系統(tǒng)總線，在集成電路測(cè)試中制成測(cè)試系統(tǒng)。