當今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會。數(shù)字集成電路本身在不斷地進行更新?lián)Q代。它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路，發(fā)展到超大規(guī)模集成電路（VLSIC，幾萬門以上）以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨立承擔。系統(tǒng)設(shè)計師們更愿意自己設(shè)計專用集成電路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPLD），其中應(yīng)用最廣泛的當屬現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）。

　　1． 發(fā)展歷史

　　早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存儲器（PROM）、紫外線可擦除只讀存儲器（EPROM）和電可擦除只讀存儲器（E2PROM）三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。

　　其后出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件（PLD），它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。典型的PLD由一個“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與—或”表達式來描述，所以PLD能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。

　　這一階段的產(chǎn)品主要有PAL（可編程陣列邏輯）和GAL（通用陣列邏輯）。 PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。PAL器件是現(xiàn)場可編程的，它的實現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和E2PROM技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列（PLA），它也由一個“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(guān)系是可編程的。PLA器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩膜可編程的。在PAL的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種通用陣列邏輯（GAL，Generic ArrayLogic），如GAL16V8、GAL22V10等。它采用了E＇PROM工藝，實現(xiàn)了電可擦除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的PLD器件的一個共同特點是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。

　　為了彌補這一缺陷，20世紀80年代中期，Altera和Xilinx分別推出了類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴展型CPLD（Complex Programmable Logic Dvice）和與標準門陣列類似的FPGA（FieldProgrammable Gate Array），它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點。這兩種器件兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其他ASIC（Application Specific IC）相比，它們又具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品不需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)（一般在10 000件以下）之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用FPGA和CPLD器件。

　　FPGA是英文Field Programmable Gate Arry的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

　　2． FPGA的基本特點

　　FPGA采用了邏輯單元陣列（LOA，Logic Cell Arry）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊（CLB，Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊（IOB，Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。FPGA的基本特點主要有：

　　（1）采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)就能得到合用的芯片；

　　（2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC電路的試樣片：

　　（3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳；

　　（4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一；

　　（5）FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

　　可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度和可靠性的最佳選擇之一。

　　目前FPGA的品種很多，有XILINX的xc系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

　　FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的。因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式采用不同的編程方式。

　　加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失。因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程不需專用的FPGA編程器，只需用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA、不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

　　FPGA有下面4種配置模式：

　　（1）并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；

　　（2）主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA：

　　（3）串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；

　　（4）外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對其編程。

　　3． FPGA的優(yōu)點

　　FPGA芯片都是特殊的ASIC芯片，除了具有ASIC的特點之外，還具有以下3個優(yōu)點。

　　①隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI，Very Large Scale IC）工藝的不斷提高，單一芯片內(nèi)部可以容納上百萬個晶體管，F(xiàn)PGA／CPLD芯片的規(guī)模也越來越大，其單片邏輯門數(shù)已達到上百萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

　　②FPGA／CPLD芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔投片風(fēng)險和費用，設(shè)計人員只需在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能設(shè)計。所以，F(xiàn)PGA／CPLD的資金投入小，節(jié)省了許多潛在的花費。

　　③用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。所以，用FPGAiCPLD試制樣片，能以最快的速度占領(lǐng)市場。FPGA／CPLD軟件包中有各種輸入工具和仿真工具及版圖設(shè)計工具和編程器等全線產(chǎn)品，電路設(shè)計人員在很短的時間內(nèi)就可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至最后芯片的制作。當電路有少量改動時，更能顯示出FPGA／CPLD的優(yōu)勢。電路設(shè)計人員使用FPGA／CPLD進行電路設(shè)計時，不需要具備專門的IC（集成電路）深層次的知識，F(xiàn)PGA／CPLD軟件易學(xué)易用，可以使設(shè)計人員更能集中精力進行電路設(shè)計，快速將產(chǎn)品推向市場。