CPLD和FPGA

CPLD和FPGA在工業(yè)界已被廣泛的應(yīng)用，這種成功主要是以犧牲門陣列、及標(biāo)準(zhǔn)單元電路ASIC為代價(jià)的。為了使觸發(fā)器觸發(fā)速率和快速路由的延遲得到近似于真實(shí)設(shè)計(jì)的結(jié)果，可編程邏輯的速度也得加快。尤其是，如果你可能會(huì)使用到可編程邏輯器件所提供的嵌入式存儲(chǔ)器的時(shí)候，因?yàn)樗娜萘吭龆?，因此，相?yīng)地按每門計(jì)算的成本也更加便宜。

    可編程邏輯器件的這種發(fā)展趨勢(shì)尤其受到人們的歡迎，特別是當(dāng)你的用量太少，不足以讓ASIC廠家或制造商感興趣，或是在掩模和NRE的成本隨每一代處理工藝成指數(shù)上漲，而你的用量又很少，無法全部攤?cè)氤杀緯r(shí)，可編程邏輯器件更是受歡迎了。ASIC一般都要求你詳細(xì)開列出每個(gè)裸芯片功能驗(yàn)證和定時(shí)驗(yàn)證的全套測(cè)試向量數(shù)據(jù)；而這些，在CPLD和FPGA中，則是由制造廠家自己處理的。
   從產(chǎn)品上市時(shí)間快慢的角度來考慮，一般來說，ASIC從設(shè)計(jì)完成到你拿到第一個(gè)樣品的時(shí)間，總會(huì)在幾周或幾個(gè)月以后。幾周或幾個(gè)月的耽擱時(shí)間與你花幾分鐘就能從代銷商或供應(yīng)商的貨架上買到PLD，然后就開始調(diào)試你的設(shè)計(jì)，這中間時(shí)間相差實(shí)在是太大了。加之，在投產(chǎn)前為了排除故障或再增加某些功能什么的，還要對(duì)設(shè)計(jì)做些修改，以及ASIC NRE的成本和相當(dāng)長(zhǎng)的制造周期，綜合起來，確實(shí)是個(gè)大問題。
    當(dāng)然，如果你的設(shè)計(jì)用到的產(chǎn)品產(chǎn)量較大，而你也能解決制造周期長(zhǎng)的問題，那么，標(biāo)準(zhǔn)單元電路ASIC還是你的每門最低成本首選的代表。ASIC也有速度比FPGA和CPLD高得多、功耗更低的品種。正像某些閃速存儲(chǔ)器用戶所希望地那樣，他們可以轉(zhuǎn)而使用更便宜的掩膜ROM。許多可編程邏輯器件的用戶，特別是那些不用現(xiàn)場(chǎng)可重新編程技術(shù)的用戶，總是懷著妒忌的心態(tài)看待ASIC器件，因此也不知出于什么原因，在他們的設(shè)計(jì)中都不曾用過ASIC。

尋求中間道路
    有些廠商認(rèn)為還有第三種選擇：把可編程邏輯和門陣列及標(biāo)準(zhǔn)單元電路的ASIC組合在同一個(gè)器件上。他們這些方法雖在每種型號(hào)邏輯器件的裸芯片百分比和納入ASIC部分的方式（如有）上是不一樣的。但基本的動(dòng)機(jī)卻是相同的：那就是把這兩種技術(shù)的精華合二為一。然而，這個(gè)目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)性究竟有多大呢？
如果你的目的只是為了降低成本，那么，這種混合邏輯的電路的生命力至今還不清楚，只不過進(jìn)化的演變很快而已。以到處都能見到的PCI芯核為例。就在兩年前，可編程邏輯器件的廠家們還在拼命設(shè)法做出目的只是32位的芯片，但其體積要求小到使用戶只要有一塊地方就可以做他專用的邏輯器件，甚至廠家的體積最大的器件也是如此。而今天，64位的器件，包括啟動(dòng)程序加上目標(biāo)芯核（FIFO緩沖器除外，其體積和數(shù)量取決于設(shè)計(jì)）的體積。估計(jì)只占Altera公司（www.altera.com）即將上市EP20k1500E邏輯資源的2.4%，占Xilinx公司（www.xilinx.com）即將上市XCV3200E邏輯資源的1％。
    就算這些片子的價(jià)格比較昂貴。但是從圖1所示的過去幾年來每門成本價(jià)的走向和對(duì)今后幾年的預(yù)示趨勢(shì)可以看出：制造商們正在大量銷售這些通用的邏輯器件，而且含蓋了各種類別的用戶和應(yīng)用項(xiàng)目?；旌鲜降钠骷赡軙?huì)使裸芯的體積更小一些，但這取決于ASIC對(duì)可編程邏輯器件所占的比例。當(dāng)然，裸芯片的尺寸大小也只占整個(gè)器件成本的一部分。還有其他因素，例如用戶的測(cè)試流程，生產(chǎn)線新生項(xiàng)目的管理以及因產(chǎn)量小而造成的生產(chǎn)效益減少等，在促使價(jià)格提高上都起著等同的或且更大的作用。
    要使邏輯器件達(dá)到相當(dāng)大的產(chǎn)量，像微處理器那樣，則ASIC門電路還是最佳上選（參考文獻(xiàn)3）。大型的CPLD和FPGA器件上何時(shí)能裝上這種類型的片芯，在一定程度上取決于這類芯核能用的片上存儲(chǔ)器的數(shù)量。Xilinx公司曾宣稱，以0.18mmXCV2000E Virtex-E FPGA所含有"系統(tǒng)"門，是0.22mmXCV1000 Virtex器件的兩倍。但是從Virtex到Virtex-E，邏輯單元電路的數(shù)量只增加了50％；門電路的其余增量大部分卻來自數(shù)字延遲鎖定回路DLL）成倍的增加，以及片上Block SelectRAM的數(shù)量增加了五倍。
    從概念上講，嵌套式存儲(chǔ)器作為CPU芯核的一級(jí)和二級(jí)超高速緩存器，應(yīng)該是有用武之地的，但是優(yōu)化的超高速緩存設(shè)計(jì)要求的陣列電路，比適用于其他邏輯電路的可能要大。否則超高速緩存的功能會(huì)因此受到嚴(yán)重影響，通用邏輯門電路的可用量也會(huì)下降，除非生產(chǎn)廠家另行設(shè)置專用的超高速緩存控制器邏輯電路才行。這種片上邏輯電路類似于可編程邏輯器件廠家提供的DLL和PLL及雙端口RAM、內(nèi)容定址存儲(chǔ)器、FIFO緩沖器以及其他的專用功能的資源。但是又與某些電路不同，超高速緩存邏輯器件的可應(yīng)用性更為有限。片子的專用程度越高，應(yīng)用的領(lǐng)域和用戶就越少，潛在的產(chǎn)量也就越低。

對(duì)速度的要求
    功能是采用混合式芯片的更為重要的理由。例如，要是你的CPU芯核需要的運(yùn)行速度只相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的速度，那么ASIC就是唯一的選擇?？删幊踢壿嬈骷膹S家都宣稱，他們64位的PCI芯核曾達(dá)到過66MHz的速度，這些芯核在某些情況下，特別是在非零等待狀態(tài)的配置中，可能的確能做到。但是在這樣做時(shí)，媒體認(rèn)為，至少有一些芯核對(duì)前端和后端的工具提出了這種不靈活的定位要求，因?yàn)樵谶@種設(shè)計(jì)內(nèi)用戶的專用部分，達(dá)不到門電路數(shù)和功能的要求。
    不久以前，設(shè)計(jì)師們也曾對(duì)33MHz PCI提出過同樣的問題，所以從溫故知新的角度看，生機(jī)盎然的66MHz運(yùn)行幾乎肯定遲早會(huì)到來。ASIC和可編程邏輯器件之間在I／O緩沖器電性能和速度上的差距，也在迅速地縮?。蓞⒖糄yna Chips公司（www.dyna.com）的DY8000器件，和前面提到過了Altera公司和Xilinx公司的結(jié)構(gòu)）。不過，互連接點(diǎn)豐富的ASIC邏輯器的最高速度一直都比被路由矩陣制約的CPLD和受通過－晶體管限制的FPGA的速度要快，在某種程度上說，甚至比反熔絲的FPGA還快。
    還有沒有別的用ASIC做的高速邏輯芯核的新的應(yīng)用領(lǐng)域呢？如果有，這對(duì)可編程邏輯器件的靈活性也會(huì)增加一定的砝碼。雖然FPGA廠家開始表白他們有信心支持順控制器用于133MHz和雙數(shù)據(jù)速率（DOR）同步DRAM，以及用于無等待延遲、DDR和四數(shù)據(jù)速率同步SRAM的存儲(chǔ)控制器，但他們都閉口不談Rambus公司（www.rambus.com）的DRAM（RDRAM）控制器（RAC）。RAC有很高的功能要求，它們從外部到內(nèi)部的帶寬扇出，會(huì)使可編程－邏輯－路由的資源受到破壞。
    RDRAM的單存儲(chǔ)器寬度信道接口能實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)顆粒度，比它用寬總線SDRAM獲得同樣峰值帶寬所用的最低密度還小。在嵌套式設(shè)計(jì)中，這個(gè)因素具有特別的價(jià)值。PC和其他消費(fèi)類產(chǎn)品的制造商，如Sony公司（www.sony.com）的Playstation2，都在盡量地加大其產(chǎn)量，以求降低目前RDRAM與異步的DRAM和SDRAM相比不斷升高的成本。所以，如果在不遠(yuǎn)的將來，混合式芯片的生產(chǎn)廠家會(huì)提供可編程邏輯器件與RAC的組合器件，那就沒有什么大驚小怪的了。
    許多高速網(wǎng)絡(luò)化接口和通信接口規(guī)約，對(duì)速度的要求也是可編程邏輯器件目前不能處理的難題。其中另外一條對(duì)許多器件都是共同的需要的，那就是混合信號(hào)集成，這一條也給ASIC－加－可編程－邏輯混合器件帶來了新的生機(jī)，除了PLL外，今天的CPLD和FPGA顯然已無法處理模擬信號(hào)。專用鐘頻恢復(fù)電路和無線基帶處理，是標(biāo)準(zhǔn)單元電路和定制ASIC處理所獨(dú)具的模擬功能實(shí)例。
    在用CPLD和FPGA做較大設(shè)計(jì)中，功耗仍然是傷腦筋的事情（參考文獻(xiàn)8）。在許多情況下，通過封裝工藝和縮微印刷技術(shù)的不斷改進(jìn)，生產(chǎn)廠家已經(jīng)能夠使器件的工作電壓逐步降低，從而也使器件能保持（基本上保持）在工作溫度的閾值以下，因?yàn)槌^工作溫度閾限值器件的功能和長(zhǎng)期可靠性就會(huì)遭到損壞。I／O緩沖器的靈活性使得可以把這些器件與電源電壓和輸入電平較高、輸出擺幅也較大的那些傳統(tǒng)器件相連接。但是，過高的工頻加上內(nèi)部邏輯節(jié)點(diǎn)頻繁的觸動(dòng)，會(huì)要求增加散熱處理或強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，或兩者都要具備。在ASIC里加上一些快速邏輯電路就會(huì)降低整個(gè)器件的功耗；但對(duì)芯片的"熱點(diǎn)"仍然不能掉以輕心。

開路先鋒
    PCI的被普遍認(rèn)可不僅是在PC領(lǐng)域，在各式各樣的嵌套式設(shè)計(jì)中也大受歡迎，這就使生產(chǎn)廠家自然而然地把用PCI做的產(chǎn)品，作為打向混合芯片新天地的第一塊問路石（請(qǐng)閱附文"全體到場(chǎng)了嗎？"）。在開發(fā)OR3TP12的過程中，Lncent Technologies公司用一個(gè)以ASIC為基礎(chǔ)的85000個(gè)門的門陣列64位、66MHz PCI啟動(dòng)程序目標(biāo)芯核，來代替72個(gè)OR3T55的324個(gè)邏輯單元電路。OR3TP12還保留252個(gè)可編程邏輯單元，Lucent公司估計(jì)能容納專用邏輯30000到60000個(gè)門。
    以0.35μm工藝制作的OR3TP12上包含有兩個(gè)64T32位的啟動(dòng)程序和兩個(gè)64T16位的目標(biāo)FIFO存儲(chǔ)器。四個(gè)16位或兩個(gè)32位的信號(hào)通道在ASIC芯核和FPGA分隔區(qū)之間形成橋路。Lucent公司也剛開始銷售OR3LP26B，這是OR3TP12的改進(jìn)型號(hào)，它以0.25μm工藝制造，可以使FPGA邏輯器件的功能更快，并把PCI芯核與FPGA子陣列之間的互連接點(diǎn)翻了一番。Lucent公司還把OR3LP26B上的FPGA邏輯器件的數(shù)量也翻了一番，并改進(jìn)了在PCI芯核和可編程邏輯器件之間運(yùn)行的鐘頻分布集成網(wǎng)絡(luò)。
    在半導(dǎo)體廠家中也只有Lucent公司和Atmel公司，在同一個(gè)公司"屋檐"下既有ASIC事業(yè)部，又有可編程邏輯事業(yè)部。Luecnt公司打算利用這種混合邏輯器件的能力，把PCI再瞄向通信接口市場(chǎng)的其他領(lǐng)域。該公司的ORT4622在2000年的第一季度投產(chǎn)，就是這種打算中的首個(gè)例子（圖2）。這種芯片上有四個(gè)78MHz、8位、雙向接口變換成有622Mbps同步光纖網(wǎng)絡(luò)（SONET）能力的四條全雙工串行信道。
也就是說，這個(gè)方法能使2.5千兆位的數(shù)據(jù)流同時(shí)流入和流出ORT4622。這個(gè)芯片還集成了一些以模擬為中心的電路，如鐘頻和數(shù)據(jù)恢復(fù)，幀功能和指針解釋器，以及相應(yīng)的FIFO緩沖器。同樣的器件通過其通用的259引腳FPGA分隔區(qū)，能支持許多的后端接口，對(duì)此該公司聲稱可容納60000至120000個(gè)門電路。Lucent公司用標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC制作SONET芯核，也可能對(duì)所有今后的ASIC＋FPGA的各種器件，采用標(biāo)準(zhǔn)單元電路的加工工藝。該公司計(jì)劃在2000年上半年再推出3種以通信為對(duì)象的混合芯片，目前正對(duì)DSP芯核的集成進(jìn)行調(diào)研。
    Quicklogic公司也正在促使PCI與QL5064和QL5032合作上下功夫（圖3）。5064集成的是64位啟動(dòng)程序目標(biāo)芯核（也可用作32位），運(yùn)行頻率可高達(dá)75MHz，而第二種芯片又納入了一個(gè)32位專用的啟動(dòng)程序目標(biāo)芯核，其工頻速度為33MHz。該公司75MHz的選項(xiàng)產(chǎn)品并不是要嚴(yán)格順從PCI的產(chǎn)品，封閉型的機(jī)箱系統(tǒng)可能用來提高性能。出于同樣的原因，Lucent公司也對(duì)其OR3TP12提供一個(gè)50MHz的選項(xiàng)。QL5064有片上12.7千位的RAM和用戶可配置的反熔絲式邏輯電路近30000門，器件以456引腳的PBGA封裝。
    Quicklogic公司目前在評(píng)估一種高速的32位專用的啟動(dòng)程序目標(biāo)器件，該器件可能從QL5064派生出來，但封裝引腳要少一些。QL5032是一種208引腳PQFP和26凸緣PBGA封裝，含有16千位片上RAM，并提供可編程邏輯14.5,000門，同樣也是在廠家PASIC3FPGA系列的基礎(chǔ)之上。Quicklogic公司剛把以QL5030為基礎(chǔ)的QL5130投產(chǎn)，有57千位的RAM，13.8,000 FPGA門，同時(shí)投產(chǎn)的還有從QL5032派生的QL5232，RAM為25.3千位，F(xiàn)PGA門數(shù)為122000個(gè)（附文"一個(gè)主題，多種表達(dá)"）。該公司聲稱其反熔絲技術(shù)提供的在PCI芯核和用戶可編程邏輯器件之間堅(jiān)固耐用的互連點(diǎn)數(shù)量，并打算納入覆蓋PCI功能范圍的產(chǎn)品，包括新的標(biāo)準(zhǔn)，如PCI－X,經(jīng)及高速串行總線和各種通信應(yīng)用。

微型成為時(shí)尚
    有些公司已經(jīng)進(jìn)行（也可能正計(jì)劃進(jìn)行）把基于ASIC的微處理器或DSP芯核，與可編程邏輯陣列集成組合在一塊芯片上。這些廠家包括Chameleon Systems公司（www.chameleon systems.com）、Malleable Technologies公司（www.malleable com）、Morphics Technology公司（www.morphics.com）、Quick Silver Technology公司（www.quick silvertech.com）及Triscend公司（www.triscend.com）。單片可編程邏輯器件有多種用途：可以立即解決否則要在系統(tǒng)板上做成分立的"膠合邏輯器件"，作為適配協(xié)處理器，或?qū)崿F(xiàn)外設(shè)功能的用戶專用集。
    與Triscend公司一樣，Semiconductor Design Solutions公司也把其現(xiàn)場(chǎng)可編程系統(tǒng)做在一塊8051芯核的單個(gè)芯片上（FIPSOC）（表2）。模擬的和數(shù)字的外設(shè)子系統(tǒng)都是用戶可編程的。每個(gè)數(shù)字宏單元包括四個(gè)4輸入查表和四個(gè)觸發(fā)器?？膳渲玫哪M電路塊就能實(shí)現(xiàn)專用功能，如差分放大，比較和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該公司就用這些塊搭成電路，用作信號(hào)調(diào)節(jié)前端，而不是像更常用的模擬應(yīng)用中那樣。三重陣列配置存儲(chǔ)器板使你能在FIPSOC運(yùn)行中下載新的位流，并迅速地部分地或全部地完成器件的重新配置。
    在這越來越擁擠的賽跑中，Atmel公司以其第一個(gè)2.7V現(xiàn)場(chǎng)可編程系統(tǒng)級(jí)IC（FPSLIC）系列而成為角逐新手。所有的器件都有一個(gè)30MIPS以上的AVR RISC微控制器芯核，在其上Atmel公司又加了一個(gè)專用的硬件乘法單元，32千字節(jié) 的用戶可分隔代碼和數(shù)據(jù)RAM、多引腳封裝上的SPI、兩個(gè)UART、兩個(gè)8位的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器、一個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，一個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。這種可編程邏輯陣列有576到2304個(gè)邏輯單元（估計(jì)10000至40000個(gè)門）和4.6至18.4千位的專用RAM，是以Atmel公司的AT40K FPGA中派生出來的。在CPU和FPGA之間的通信信道，有多到四個(gè)FPGA生成的中斷。
    要把單片系統(tǒng)的廣告變成現(xiàn)實(shí)，設(shè)計(jì)工具的支持至少與半導(dǎo)體器件的能力同樣重要。Atmel公司的System Designer(系統(tǒng)設(shè)計(jì)師)工具集，把廠家的IDS FPGA合成及布局-路由軟件與Studio AVR編譯程序組合在一起。System Designer也把Mentor Graphics公司（www.mentorg.com）的功能互-驗(yàn)難工具和Model Technologies公司（www.model.com）的仿真器和波形觀察器合在一起（圖4）。AT40K FPGA結(jié)構(gòu)自然適用于適配性硬件加速功能，而且System Designer還能使你快速地鑒定多個(gè)硬件對(duì)軟件的分隔方案，而用不著在線仿真器或試驗(yàn)板上進(jìn)行。

更為通用的方案
    選擇一個(gè)專項(xiàng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，例如Atmel公司、Lucent公司或Quicklogic公司的某個(gè)器件作借鑒，在你設(shè)計(jì)自己的專用片子而用其他方法派生時(shí)，你就會(huì)從中獲得不同的受益。你不必?fù)?dān)心NRE的費(fèi)用、最低產(chǎn)量要求及昂貴的設(shè)計(jì)工具，上市的時(shí)間以及首次功能風(fēng)險(xiǎn)。你還可以避開在剩下設(shè)計(jì)中涉及到購買、修改及知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）等潛在的麻煩事情。但是，有時(shí)買來的現(xiàn)成片子并不適合你的要求；可能缺少你設(shè)計(jì)中要求的某些性能，也可能含有許多你不需要也不愿為之付出代價(jià)的功能等等。
    LSI Logic公司是一家ASIC生產(chǎn)廠家，并成了可編程邏輯IP的供應(yīng)商，還同Adaptive Silicon公司結(jié)成伙伴關(guān)系。LSI Logic公司在其0.18μmG12加工工藝基礎(chǔ)上開始提供可編程邏輯器件嵌入芯核的能力。Adaptive Silicon公司邏輯單元的技術(shù)繼承又延伸回到National Semiconductor公司的Clay和NAPA結(jié)構(gòu)（www.national.com/appinfo/milaero/napa1000），以及Concurrent Logic公司的技術(shù)，而這又成為Atmel公司AT6000系列的基礎(chǔ)。
    LSI Logic公司和Adaptive Silicon公司目前與為數(shù)不多的幾家用戶對(duì)半導(dǎo)體器件和設(shè)計(jì)軟件做了第一步的測(cè)試；兩家公司希望在明年上半年能把范圍加大。與更為通用的多路復(fù)用邏輯單元或查表邏輯不同，LSI Logic公司選擇用Adaptive Silicon公司的半加器單元，這種單元能與算法專用電路很好地協(xié)調(diào)。更為通用的設(shè)計(jì)也要求更完備的路由資源，但與Adaptiver Silicon公司的結(jié)構(gòu)，就未必能有效地配合。
這兩家公司都看到了嵌入芯核會(huì)有一系列的應(yīng)用項(xiàng)目。這些應(yīng)用包括可以為多種系統(tǒng)配置服務(wù)的通用ASIC，方法是將邏輯器件的子集置入可編程門電路，或是現(xiàn)場(chǎng)可重編程的ASIC，以此應(yīng)對(duì)不斷演變的標(biāo)準(zhǔn)或查定故障?？芍嘏渲糜?jì)算是另一種可能的使用模式，而且即使你的目標(biāo)是百分之百的用ASIC做的片子，也可以用混合器件使產(chǎn)品迅速上市。查定故障是這些方案中可行性最差的，因?yàn)楫?dāng)你完成ASIC時(shí)，你并不知道以后問題會(huì)出在什么地方。不過，你可以把可編程邏輯器件放在風(fēng)險(xiǎn)特別大的ASIC附近，并希望片上的互連足以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)上其余部分的FPGA 陣列。
    從歷史的角度看，設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)時(shí)間滯后了新的可編程邏輯結(jié)構(gòu)的推出。不過，由于國(guó)防高級(jí)研究課題開發(fā)署多年來的認(rèn)可，曾在National Semiconductor公司工作過的Adaptive Silicon公司的工程師們，一直都既不缺時(shí)間，也不缺資金。Atmel公司也把FPGA IP的能力推薦給愿意試做的用戶，該公司的官員們相信，根據(jù)ASIC電路的規(guī)模，他們能夠以較好的性能價(jià)格比集成可編程邏輯芯核，其門數(shù)達(dá)到10000至80000門（576至4608個(gè)邏輯單元）。與該公司用AVR做的混合式片子一樣，Atmel公司將把AT40K FPGA作為ASIC上嵌套FPGA的產(chǎn)品基礎(chǔ)。