現(xiàn)場可編程門陣列

現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)儀器正在向著微型化、多功能化、系列化等方向發(fā)展 ， 系 統(tǒng) 中 的 數(shù) 字 部 分 越 來 越 重 要 。 現(xiàn) 場 可 編 程 門 陣 列是一種新型可編程邏輯器件， 性能優(yōu)良，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，可顯著降低數(shù)字系統(tǒng)的開發(fā)成本。

隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器已經(jīng)向著智能化、小型化、多功能化方向發(fā)展， 在儀器設(shè)計中數(shù)字化程度越來越高， 用到的ASIC數(shù)量和規(guī)模越來越大。 由于現(xiàn)場可編程邏輯器件的出現(xiàn)，ASIC的設(shè)計與制造，已不再完全由半導(dǎo)體商家獨立承擔(dān)，設(shè)計者在實驗室里也可以自己設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即進行實際應(yīng)用，現(xiàn)在應(yīng)用最廣的主要是現(xiàn)場可編程門陣列?，F(xiàn)場可編程門陣列器件是一種新型的高密度可編程邏輯器件，采用CMOS-SRAM工藝制造。 現(xiàn)場可編程門陣列是新一代的數(shù)字邏輯器件， 它們的規(guī)模比較大， 適合于時序、組合等邏輯電路應(yīng)用場合， 它可替代幾十甚至上百片通用中等規(guī)模以上的 WI 芯片。它不僅具有很高的速度和可靠性，而且具有用戶可重復(fù)定義的邏輯功能，即具有可重復(fù)編程的特點。因此，現(xiàn)場可編程門陣列使數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計非常靈活， 并且顯著縮短了系統(tǒng)研制的周期，縮小了數(shù)字電路系統(tǒng)的體積和所用芯片的種類。 在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，得益于現(xiàn)場可編程門陣列的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計用現(xiàn)場可編程門陣列取代中小規(guī)模芯片做邏輯控制， 在醫(yī)學(xué)信號采集與處理、圖像獲取與處理、便攜式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計等方面得到了應(yīng)用。

現(xiàn)場可編程門陣列是一種程序驅(qū)動邏輯器件， 就像一個微處理器， 其控制程序存儲在內(nèi)存中， 加電后，程序自動裝載到芯片執(zhí)行。 現(xiàn)場可編程門陣列一般由2 個可編程模塊和存儲SRAM構(gòu)成。CLB是可編程邏輯塊，是現(xiàn)場可編程門陣列的核心組成部分， 是實現(xiàn)邏輯功能的基本單元， 主要由邏輯函數(shù)發(fā)生器、觸發(fā)器、數(shù)據(jù)選擇器等數(shù)字邏輯電路構(gòu)成。IOB 是輸入輸出模塊， 它提供了芯片引腳和內(nèi)部邏輯陣列之間的連接， 主要包括輸入觸發(fā)器、輸入緩沖器、輸出觸發(fā) . 鎖存器和輸出緩沖器，每一個IOB控制一個引腳， 可獨立編程為輸入、輸出和雙向I/O， 非常靈活，而且兼容 CMOS和TTL兩種電平。

IR是可編程互聯(lián)資源，包括各種金屬線和可編程連接開關(guān)，其主要任務(wù)是將各個CLB之間和IOB之間互相連接起來， 構(gòu)成各種功能復(fù)雜的系統(tǒng)， 共有 2 種類型：①直接連接線，這種連接線延時最少， 但僅限于相鄰的CLB、IOB 之間選用。 ②通用內(nèi)部連接線，這是最靈活的連接方式， 可以連接任意兩點， 是最常用的方式。 ③長線，這種方式是以最小延時做遠距離連接，是最貴的資源，實際使用時須做合理的運用 [1] ?，F(xiàn)場可編程門陣列的內(nèi)部存儲單元 SRAM( 靜態(tài)存儲器)是專門設(shè)計的， 具有可靠性高、抗干擾能力強、保密性好等優(yōu)點， 器件在出廠時都由廠家進行安全可靠性測試，保證在最不利的情況下也能保證安全性， 不至于發(fā)生軟錯誤， 因此基于現(xiàn)場可編程門陣列設(shè)計的系統(tǒng)具有高度可靠性 [1] ?；诂F(xiàn)場可編程門陣列的系統(tǒng)設(shè)計不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法， 是一種自上而下的設(shè)計， 從系統(tǒng)設(shè)計總體要求出發(fā)， 逐步將設(shè)計內(nèi)容細化， 最后完成系統(tǒng)的整體設(shè)計，這種設(shè)計使得電路設(shè)計更趨于合理， 顯著縮短了設(shè)計周期， 降低費用， 降低了硬件電路設(shè)計的難度 [1] ?，F(xiàn)場可編程門陣列是用軟件來實現(xiàn)硬件電路的功能， 通過設(shè)計軟件就可以得到想要的硬件電路功能， 而要修改硬件設(shè)計時只要重新修改軟件就可以了，時下各大現(xiàn)場可編程門陣列廠家都提供了功能強大的現(xiàn)場可編程門陣列開發(fā)軟件包， 對于一般的電路， 完全不需要人工干預(yù)就可以自動完成， 而采用人工干預(yù)，則可以實現(xiàn)特殊功能需求的設(shè)計。