数电基础 - 可编程逻辑器件

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一. 简介

二. 现场可编程逻辑阵列

三. 可编程阵列逻辑

四. 通用阵列逻辑

五. 可擦除的可编程逻辑器件

六. 复杂的可编程逻辑器件

七. 现场可编程门阵列

一. 简介

可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是一种用户可根据自身需求来定义其逻辑功能的集成电路。

常见的可编程逻辑器件包括可编程阵列逻辑（PAL）、通用阵列逻辑（GAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）等。

PLD 的基本结构通常由与阵列、或阵列和输出逻辑等部分组成。用户通过编程可以改变与阵列和或阵列的连接方式，从而实现不同的逻辑功能。

CPLD 是在 PAL 和 GAL 等基础上发展起来的，它包含多个可编程逻辑模块和可编程互连资源，具有较大的集成度和较高的速度。

FPGA 则采用了基于查找表（Look-Up Table，LUT）的结构，内部由大量的可编程逻辑单元、布线资源和 I/O 单元等构成，具有更高的灵活性和逻辑密度，适用于大规模、复杂的数字逻辑设计。

可编程逻辑器件的出现大大提高了数字电路设计的效率和灵活性，使得数字系统的设计和实现更加便捷和快速。

二. 现场可编程逻辑阵列

现场可编程逻辑阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是一种高性能、高灵活性的可编程逻辑器件。

FPGA 通常由大量的可编程逻辑单元（Logic Cell）、可编程输入输出单元（IOB）和可编程互连资源（Interconnect）组成。

逻辑单元是 FPGA 的基本构建模块，通常包含查找表（LUT）、触发器等，可以实现各种逻辑功能。输入输出单元用于连接芯片内部逻辑与外部引脚。可编程互连资源则允许逻辑单元之间按照用户的设计需求进行灵活的连接。

FPGA 的编程是通过硬件描述语言（如 VHDL、Verilog）或者图形化设计工具来完成的。用户可以根据具体的应用需求，定制芯片内部的逻辑结构和功能，实现从简单的逻辑电路到复杂的数字系统。

FPGA 具有以下优点：

灵活性高：能够快速适应设计变更，便于产品的升级和改进。
并行处理能力强：可以同时处理多个任务，提高系统性能。
开发周期短：减少了从设计到实现的时间。

FPGA 广泛应用于通信、图像处理、工业控制、航空航天等众多领域，是现代数字系统设计的重要工具。

三. 可编程阵列逻辑

可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）是一种较早出现的可编程逻辑器件。

它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成。用户可以通过编程来决定与阵列的连接，从而实现所需的逻辑功能。

PAL 器件具有一定的通用性和灵活性，但由于其或阵列是固定的，在实现某些复杂逻辑功能时可能会受到一定的限制。

随着技术的发展，出现了更多功能更强大、灵活性更高的可编程逻辑器件，如通用阵列逻辑（GAL）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）等，PAL 逐渐被取代，但它在可编程逻辑器件的发展历程中具有重要的开创性意义。

四. 通用阵列逻辑

通用阵列逻辑（General Array Logic，GAL）是在可编程阵列逻辑（PAL）基础上发展而来的一种可编程逻辑器件。

GAL 采用了电可擦除可编程只读存储（EEPROM）工艺，具有可重复编程的特性，这与 PAL 的一次性编程不同。

它的输出结构较 PAL 更为灵活，用户可以通过编程选择不同的输出模式，如寄存器模式、组合逻辑模式等。

GAL 还具有加密功能，可以对设计进行保护，防止非法复制。

由于具有可重复编程、灵活的输出结构和加密等优点，GAL 在一定时期内得到了较为广泛的应用。但随着更先进的可编程逻辑器件如复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）的发展，GAL 已逐渐被取代。

加密实现:

通用阵列逻辑（GAL）的加密功能通常是通过其内部的特定结构和编程方式来实现的。

GAL 器件自身有 1 位保密位，该保密位能防止对阵列组态模式的非法复制。一旦该保密位被编程加密，对阵列单元的任何访问即被失效，从而防止了进一步编程或检验出阵列信息。只有当器件被整体擦除时，该单元才能与整个阵列的单元一起被擦掉。

在加密过程中，用户可以使用编程工具将特定的加密代码写入到 GAL 器件的保密位中。这样，即使其他人获得了该 GAL 器件，也无法读取或复制其中的阵列组态模式，因为访问阵列信息的操作会被保密位所限制。

然而，需要注意的是，虽然 GAL 的加密技术提供了一定程度的保护，但它并不是绝对安全的。随着技术的不断发展，可能会出现破解加密的方法。对于一些对安全性要求极高的应用，可能需要采用更高级的加密技术或安全措施。

此外，不同型号的 GAL 器件可能在加密实现的细节上略有差异，但总体原理是相似的。具体的加密操作和相关细节，可以参考相应 GAL 器件的技术文档和编程手册。

五. 可擦除的可编程逻辑器件

可擦除的可编程逻辑器件（Erasable Programmable Logic Device，EPLD）是一种集成电路形式的可编程逻辑器件。

EPLD 通常包含多个可编程逻辑模块、可编程的互连资源以及输入/输出模块。它的特点包括：

可多次擦除和编程：使用特定的方法，如紫外线照射或电擦除，可以将之前编程的逻辑配置清除，然后重新进行编程，以实现不同的逻辑功能。
较大的逻辑容量：能够集成较多的逻辑门和触发器，适合实现较为复杂的逻辑电路。
灵活的互连：内部的互连资源可以根据需要进行编程配置，实现不同模块之间的连接和信号传输。

EPLD 在数字系统设计、电子产品开发等领域得到了广泛应用，使得设计人员能够快速实现和修改逻辑设计，提高开发效率。

六. 复杂的可编程逻辑器件

复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）是一种大规模的可编程逻辑器件。

CPLD 通常由多个可编程逻辑块（Logic Block）和可编程互连矩阵（Interconnect Matrix）组成。

其主要特点包括：

集成度高：包含大量的逻辑资源，可以实现复杂的逻辑功能。
速度快：内部互连结构相对简单，信号传输延迟较小，具有较高的工作速度。
编程灵活：用户可以通过特定的编程工具对其进行逻辑设计和功能定制。
可靠性高：采用了先进的制造工艺和封装技术，具有较好的稳定性和可靠性。

CPLD 适用于需要较高速度和较多逻辑资源的数字系统设计，如通信设备、工业控制、计算机硬件等领域。

常见的编程方式:

CPLD 常见的编程方式主要有以下几种：

在系统可编程（In-System Programmability，ISP）：无需将 CPLD 从系统中取出，直接通过特定的接口和编程工具，在电路系统中对其进行编程。
在电路可重构（In-Circuit Reconfigurability，ICR）：在设备处于运行状态时，能够动态地改变 CPLD 的逻辑配置。
使用专用编程器编程：将 CPLD 芯片从电路板上取下，放入专门的编程器中进行编程。

这些编程方式为用户提供了灵活选择，以满足不同的设计和应用需求。

七. 现场可编程门阵列

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是一种高度灵活的可编程逻辑器件。

FPGA 通常由可编程逻辑块（Logic Block）、可编程互连（Interconnect）和输入输出块（I/O Block）组成。

其主要特点包括：

灵活性极高：能够实现各种复杂的数字逻辑功能，用户可以根据具体需求自由配置逻辑资源。
并行处理能力强：可以同时处理多个任务，大大提高系统的处理速度。
集成度高：可以集成大量的逻辑单元、存储单元和乘法器等，实现大规模的数字系统。
开发周期短：使用硬件描述语言进行编程，设计和验证过程相对较快，能快速推出产品。
可重构性：能够在系统运行时重新配置逻辑功能，适应不同的应用场景。

FPGA 在通信、图像处理、人工智能、工业控制等众多领域都有广泛的应用。

工作原理:

现场可编程门阵列（FPGA）的工作原理主要基于查找表（Look-Up Table，LUT）和可编程的互连资源。

FPGA 内部包含大量的可编程逻辑单元（Logic Element，LE），每个逻辑单元通常由一个查找表、一个触发器和一些相关的逻辑电路组成。

查找表是实现逻辑功能的核心部分。对于常见的逻辑功能（如与、或、非等），查找表预先存储了所有可能的输入组合对应的输出值。当输入信号到达时，通过查找表快速确定输出结果。

可编程的互连资源用于连接各个逻辑单元，以形成所需的逻辑电路结构。用户通过编程工具指定这些互连的连接方式，从而实现不同的逻辑功能和电路拓扑。

输入输出模块（I/O）负责与外部设备进行数据的输入和输出。

时钟管理模块用于提供稳定的时钟信号，确保整个系统的同步运行。

配置存储器存储了用户设计的逻辑配置信息，在 FPGA 上电时加载到各个单元中，从而确定其工作模式和功能。

总之，通过对查找表、互连资源的编程配置以及时钟和 I/O 的管理，FPGA 能够实现用户定义的各种复杂数字逻辑功能。