可编程逻辑器件FPGA/PLD冲击未来的系统设计

可编程逻辑器件的应用日益普及，但是在工程师当中，仍然存在一些模糊的概念。本文详细介绍了可编程器件、可重编程器件和可重配置器件的基本概念，它对正确选择器件很有必要。

目前，业界认同这样的观点：在一段时间内ASIC仍将主宰高端芯片设计，尽管雄心勃勃的可编程逻辑器件(PLD)正在步步紧逼，但是尚难以取代ASIC占领尖端产品市场。

Xilinx有限公司战略产品经理Raj Patel表示，随着FPGA经济的发展，将出现一轮强劲的FPGA冲击波。然而，ASIC并不甘心很快退出市场。用户定制产品将继续在多方面满足用户的需求，并不断为那些寻求专用解决方案的用户提供高效益的战略支持。

Patel说，PLD销售商并没有想过在市场上取代ASIC。但目前在这个变幻莫测的市场中，半导体新产品不断涌现和消亡，当人们需要最新最好的产品时，PLD就成为那些面对无法预测前景的产品的最佳解决方案。Patel补充道：“您无需刻意迎合ASIC解决方案，因为您要么错过市场机会，要么对产品的前景了如指掌。”

原因很简单，片上器件的尺寸正在缩减，金属层数目则继续增加。Patel指出，所有这些条件都有利于PLD/FPGA在市场上的普及。此外，因特网发展的趋势也有利于FPGA，所有这些门电路能用许多线快速轻松地连接起来，有助于加速芯片实现过程并增强性能。

目前，ASIC的容量越来越大。十年前，其规模为每平方英寸10,000个门电路；现在密度已达到平均每平方英寸1百万个门电路。随着密度的不断提高，芯片显然受到引脚的限制。片上芯片很多，但接入内核的引脚数目是有限的。Patel说：“封装更多的晶体管和金属层是一回事，而将它们连接成有用的芯片却完全是另一回事。”

然而，如果选用FPGA/PLD，就不存在这样的限制，因为现在可达到的金属层数目增强了产品的优势。当片上器件可编程时，设计能力就可在工厂或现场得到充分利用。对于FPGA， Patel指出，“即便将来能够集成50亿个晶体管，也可用可编程逻辑器件来实现所需的完整芯片。”

对于PLD的热衷者，还有更多的好消息。PLD将为系统级设计提供有利条件，因为片上系统I/O具有丰富的可用功能，这一点尤为重要，因此许多设计从一开始就需要网络结构。该结构对数据带宽的需求非常大，这正是PLD领域需要与新兴产品不断增长的功能完美匹配之处。

另外， PLD是原型设计中的佼佼者，现在灵活性和适应性更强。Patel说：“微处理器终归是微处理器，而不是逻辑或状态机。类似地，内存总是内存。”他认为，尽管当前可编程器件别名很多如FPGA、PLD等，现在情况正在发生变化。FPGA将成为设计平台，它们将使微处理器、DSP、互连电容和开关构成的系统变为全能的通用平台，从而消除设计中的差异。

如同许多其它的技术领域一样，可编程器件的不少术语很容易产生混淆。可编程器件、可重编程器件以及可重配置器件有何区别？Patel说：“可编程器件要么是一次可编程，要么在现场和工厂可编程数次。对于可重配置器件，不仅可编程，还具有其它功能。该器件在功能系统中还具有重编程功能，此即为可重配置器件成为真正‘人见人爱器件’的原因。”

换言之，可重配置器件将具备人格化重编程，并无须完全关闭其驻留的系统。这与可编程器件相比大不相同，后者在对新要求重编程之前，总要求系统完全关闭。

Adaptive Silicon公司营销副总裁Zak认为，可编程芯片是能编程实现不同功能的芯片，它可实现远程编程以执行不同功能的芯片。可重配置芯片是一种设计概念，通常视为能实时重配置的可重编程设计。根据环境的变化，可重配置芯片因此具有在不同场合应用、及时执行不同或多种功能的特性。Zak说，可重配置器件只是可重编程器件的子集，而可重编程器件是可编程器件的子集。

Zak指出，值得注意的是，某些FPGA是可重编程的，而另一些是不可重编程的。因此，目前区别这些器件确实相当重要，特别是在对市场上的各种产品进行分类时。以下是本文列出的若干容易引起混淆的概念。

通常指为某种目的加以硬连接，且其功能不可通过软件程序更改的逻辑器件。固定功能有时应用于ASIC，但自从现在某些ASIC拥有一定的可编程能力后，它们就不总是具有完全的固定功能。目前该术语的一种普遍用法是 “固定功能加速器”，这指的是用以增加可编程器件的特定硬连接功能。例如，蜂窝电话通常具有应用“固定功能计算器”的核心CPU，以增强其从事特定任务的性能。

即部分功能可由软件程序更改的器件。该术语被广泛地用来描述各层次的可编程器件，因此很容易产生混淆。例如，PAL自称是“可编程”器件，但实际上其所具有的可编程特性与微处理器的可编程特性大相径庭。PAL通常只在安装进入系统之前进行一次编程，并且对于所有的实际应用，PAL在系统中具有固定的功能。而微处理器是可编程领域的另一极端，因为微处理器通常拥有指令内存、数据内存和其他资源，所有这些资源都可被软件程序员用来不断改变其所驻留的器件的功能特性。除PAL和微处理器之外，存在许多介于两者之间并且具有不同层次可编程性和多功能性的器件。例如，某些销售商提供了一次性可编程(OTP)电路，如PROM、EPROM，甚至像上述PAL示例中的微控制器，为用户提供了一次编程机会。但是这些器件一经编程，软件和功能就无法再次更改。

尽管该术语表面看来具有比“可编程器件”更多的功能，但实际上并非如此。可重编程特性通常指的是在永久安装到终端系统之前可被编程多次的器件。但这些系统不能像微处理器那样永久可被重编程。可重编程器件指的是类似电子可编程只读存储器(EEPROM)的器件，以区别于EPROM和PAL这样的同类产品。

通常用来描述现场可编程的门阵列(FPGA)或可重配置的半导体IP。“可重配置器件”本意指的是硬件FPGA自身可重配置为用户期望的任意电路的硬件。例如从理论上说，电路在驻留系统期间，可随时改变成全新的硬件配置，或者作为固定功能电路，或者作为运行软件的可编程微处理器。可重配置器件允许具备比可编程微处理器更灵活的特性，因为该器件并不拘泥于微处理器具备的原始指令集。

该术语通常指的是半导体IP，并包含在芯片设计中具有某种程度可复用特性的IP核或功能块。例如，某些IP销售商以“软核”的形式提供IP。这意味着理论上IP能被合成并应用于跨越多个工厂工艺参数的许多不同芯片设计，这使得用户可以优化IP的价格、性能、功耗及上市销售时间。这与那些只为特定工厂的工艺提供特定优化应用参数的“硬核”形成了鲜明对比。但是，可复用这个术语使用得实在太过广泛，因此无法保持恒定而精确的含义。

这是一个使用过于广泛而无法给出精确含义的术语，该术语用来描述可被一次次重复使用的技术功能。可升级通常指的是技术跨越产品性能范围、功耗极限、价格范围所具备的升级技术功能。