FPGA/CPLD与专用集成电路（ASIC）

一、ASIC、SOC技术简介及其发展动态
专用集成电路ASIC，Application Specific Integrated Circuits，是指应特定用户要求或特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。
系统级芯片SOC，System On a Chip，就是将整个系统集成到单一半导体芯片上。更确切地说，系统级芯片是指综合数字和模拟技术，并将I/O、各种转换器件、存储器和MPU集成在同一封装内，能够高效实现特定功能的IC。
进入八十年代后，半导体集成电路的工艺技术、支持技术、设计技术及测试评价技术的规范化水平和集成度不断提高，电子整机、电子系统高速更新换代的竞争态势不断加强，为开发周期短、成本低、功能强、可靠性高以及专利性与保密性好的专有集成电路创造了必要而充分的发展条件，并很快形成了用专用集成电路取代中小规模集成电路组成电子整机或系统的技术进步热潮。
在整个九十年代中，国际ASIC产品增长了5倍，目前ASIC在总的IC市场中的占有率已发展到近四分之一，在整个逻辑电路市场中的占有率已超过一半。
ASIC作为集成电路（IC）技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比，在构成电子系统时具有以下几个方面的优越性：
1. 缩小体积、减轻重量、降低功耗；
2. 提高可靠性，用ASIC芯片进行系统集成后，外部连线减少，因而可靠性明显提高；
3. 易于获得高性能，ASIC是针对专门应用而特别设计的；系统设计、电路设计、工艺设计之间紧密结合，这种一体化的设计有利于获得前所未有的高性能系统；
4. 可增强保密性，电子产品中的ASIC芯片对用户来说相当于一个黑匣子，难于仿造；
5. 在大批量应用时，可显著降低系统成本。
人类进入知识经济和信息社会时代，高新技术的发展日新月异，在众多高技术产品中，系统级芯片（SOC）正在成为一道靓丽的风景线。SOC是现今半导体微细加工工艺精度不断提高，IC集成度以惊人的速度发展的最新成果。
系统级芯片将具备DSP、存储器和一整套专用功能，甚至电源和电源驱动电路也将集成在同一模块中。专家认为，IC发展的大趋势是高速、高集成度和低功耗的系统集成。系统级芯片能够提高半导体器件的电气性能，改善系统的可靠性，降低大多数应用所需的PCB 面积，受到整机制造商的普遍欢迎。采用系统级芯片是整机制造商的必由之路。
系统级芯片具有以下的优点：实现高速运作，缩短产品的上市时间，降低功耗和减少所占的PCB空间，提高系统的可靠性，它可使电子系统的尺寸更小，性能更高和成本更低。系统级芯片除了大大地减少了研发费用与时间外，系统的功耗、体积与电磁干扰（EMI）将大幅降低，同时整个系统的抗干扰特性与可靠度将提高，这对于产品更新速度极快，对电磁干扰与抗干扰能力要求极高而又要求产品具有便携性的电脑、通讯及多媒体产品的生产厂家而言，尤其显得意义重大。

二、复杂可编程逻辑器件（CPLD）与现场可编程逻辑器件（FPLD）

CPLD和FPGA是80年代中后期出现的，其特点是具有用户可编程的特性。利用CPLD/FPGA，电子系统设计工程师可以在实验室中设计出专用IC，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发、上市的时间，降低了开发成本。此外，CPLD/FPGA还具有静态可重复编程或在线动态重构特性，使硬件的功能可象软件一样通过编程来修改，不仅使设计修改和产品升级变得十分方便，而且极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。
1.CPLD
CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（LMC，Logic Macro Cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中LMC逻辑结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定 的功能。由于 CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。
到90年代，CPLD发展更为迅速，不仅具有电擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线可编程等高级特性。较常用的有Xinlinx公司的EPLD和Altera公司的CPLD。
2. FPGA
FPGA通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块、可编程I/O块和可编程互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程I/O块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，构成特定功能的电路。不同厂家生产的FPGA在可编程逻辑块的规模，内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大 的差异。较常用的有Altera、Xinlinx和Actel公司的FPGA。
FPGA一般用于逻辑仿真。电路设计工程师设计一个电路首先要确定线路，然后进行软件模拟及优化，以确认所设计电路的功能及性能。然而随着电路规模的不断增大，工作频率的不断提高，将会给电路引入许多分布参数的影响，而这些影响用软件模拟的方法较难反映出来，所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以实现硬件仿真以做成模型机。将软件模拟后的线路经一定处理后下载到FPGA，就可容易地得到一个模型机，从该模型机，设计者就很直观地测试其逻辑功能及性能指标。

三、应用实例

笔者利用Altera 公司的CPLD 芯片EPM7128E完成了遥控汽车编码电路及解码电路的设计仿真，并制成了专用IC（NK8000/NK8010）。EPM7128E具有2500门，128个LMC，电可重复擦写，常用为84脚PLCC封装，64根可编程I/O线，适用于中小系统的应用。由于EPM7128E价格便宜，所以可以直接用于系统产品中，如在工控机板卡中构成系统总线，在集成电路测试中制成测试系统。