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FPGA/PLD  

可程式邏輯元件FPGA/PLD衝擊未來的系統設計

上網時間: 2001年08月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:pld  fpga  可程式元件  可重編程元件  可重配置元件 

可程式邏輯元件的應用日益普及,但是在工程師當中,仍然存在一些模糊的概念。本文詳細介紹了可程式元件、可重編程元件和可重配置元件的基本概念,它對正確選擇元件相當重要。

目前業界許多廠商均認為,在短期內,ASIC仍將主宰高階晶片設計,儘管雄心勃勃的可程式邏輯元件(PLD)正在步步緊逼,但是尚難以取代ASIC佔有的高階產品市場。

Xilinx公司策略產品經理Raj Patel表示,隨著FPGA的發展,FPGA將為市場帶來強勁的衝擊。然而,ASIC並不會很快退出市場。用戶自訂產品將繼續在多方面滿足用戶的需求,並不斷為那些尋求專用解決方案的用戶提供高效益的策略支援。

Patel指出,PLD銷售商並沒有在市場上全面取代ASIC的目的。但目前在這個變幻莫測的市場中,半導體新產品不斷湧現和淘汰,當人們需要最新最好的產品時,PLD就成為那些面對無法預測前景的產品的最佳解決方案。Patel補充道:“您無需刻意迎合ASIC解決方案,因為您若不是對產品的前景瞭如指掌,就可能會錯過市場機會。”

原因很簡單,晶片上元件的尺寸正在縮減,金屬層數目則繼續增加。Patel指出,所有這些條件都有利於PLD/FPGA在市場上的普及。此外,網際網路發展的趨勢也有利於FPGA,所有這些閘電路能用許多線快速輕鬆地連接起來,有助於加速晶片實現過程並增強性能。

目前,ASIC的容量越來越大。十年前,其規模為每平方英寸10,000個閘電路;現在密度已達到平均每平方英寸1百萬個閘電路。隨著密度的不斷提高,晶片顯然受到引腳的限制,因為接入核心的引腳數目是有限的。Patel說:“封裝更多的電晶體和金屬層是一回事,而將它們連接成有用的晶片卻完全是另一回事。”

然而,如果選用FPGA/PLD,就不存在這樣的限制,因為現在可達到的金屬層數目增強了產品的優勢。當晶片上元件是可程式型態時,設計能力就可在工廠或現場得到充分利用。對於FPGA, Patel指出,“即便將來能夠整合50億個電晶體,也可用可程式邏輯元件來實現所需的完整晶片。

此外,PLD的應用領域也開始拓展至系統級設計,它將為系統級設計者提供有利條件,因為晶片上系統I/O具有豐富的可用功能,這一點尤為重要,因此許多設計從一開始就需要網路結構。該結構對數據頻寬的需求非常大,這正是PLD領域需要與新興產品不斷成長的功能完美匹配之處。

另外, PLD是原型設計中的佼佼者,現在靈活性和適應性更強。Patel說:“微處理器終歸是微處理器,而不是邏輯或狀態機。類似地,記憶體總是記憶體。”他認為,儘管當前可程式元件別名很多如FPGA、PLD等,現在情況正在產生變化。FPGA將成為設計平台,它們將使微處理器、DSP、互連電容和開關構成的系統變為全能的通用平台,並消除設計中的差異。

如同許多其它的技術領域一樣,可程式元件的不少術語很容易產生混淆。可程式元件、可重編程元件以及可重配置元件有何區別?Patel說:“可程式元件要麼是一次可程式,要麼在現場和工廠可程式數次。對於可重配置元件,不僅可程式,還具有其它功能。該元件在功能系統中還具有重編程功能,此即為可重配置元件成為真正‘人見人愛元件’的原因。”

換言之,可重配置元件將具備人格化重編程,並無須完全關閉其駐留的系統。這與可程式元件相比大不相同,後者在對新要求重編程之前,總要求系統完全關閉。

Adaptive Silicon公司營銷副總裁Zak認為,可程式晶片是能編程實現不同功能的晶片,它可實現遠程編程以執行不同功能的晶片。可重配置晶片是一種設計概念,通常視為能實時重配置的可重編程設計。根據環境的變化,可重配置晶片因此具有在不同場合應用及時執行不同或多種功能的特性。Zak表示,可重配置元件只是可重編程元件的子集,而可重編程元件是可程式元件的子集。

Zak指出,值得注意的是,某些FPGA是可重編程的,而另一些是不可重編程的。因此,目前區別這些元件確實相當重要,特別是在對市場上的各種產品進行分類時。本文附欄列出了若干容易引起混淆的概念。

固定功能元件

通常指為某種目的加以硬連接,且其功能不可藉由軟體程式更改的邏輯元件。固定功能有時應用於ASIC,但自從現在某些ASIC擁有一定的可程式能力後,它們就並非完全具有完整固定功能。目前該術語的一種普遍用法是 “固定功能加速器”,這指的是用以增加可程式元件的特定硬連接功能。例如,行動電話通常具有應用“固定功能計算器”的核心CPU,以增強其從事特定任務的性能。

可程式元件

即部份功能可由軟體程式更改的元件。該術語被廣泛地用來描述各層次的可程式元件,因此很容易產生混淆。例如,PAL自稱是“可程式”元件,但實際上其所具有的可程式特性與微處理器的可程式特性大相徑庭。PAL通常只在安裝進入系統之前進行一次編程,並且對於所有的實際應用,PAL在系統中具有固定的功能。而微處理器是可程式領域的另一極端,因為微處理器通常擁有指令記憶體、數據記憶體和其他資源,所有這些資源都可被軟體程式員用來不斷改變其所駐留的元件的功能特性。除PAL和微處理器之外,存在許多介於兩者之間並且具有不同層次可程式性和多功能性的元件。例如,某些銷售商提供了一次性可程式(OTP)電路,如PROM、EPROM,甚至像上述PAL示例中的微控制器,為用戶提供了一次編程機會。但是這些元件一經編程,軟體和功能就無法再次更改。

可重編程元件

儘管該術語表面看來具有比“可程式元件”更多的功能,但實際上並非如此。可重編程特性通常指的是在永久安裝到終端系統之前可被編程多次的元件。但這些系統不能像微處理器那樣永久可被重編程。可重編程元件指的是類似電子可程式只讀記憶體(EEPROM)的元件,以區別於EPROM和PAL這樣的同類產品。

可重配置元件

通常用來描述現場可程式的閘陣列(FPGA)或可重配置的半導體IP。“可重配置元件”本意指的是硬體FPGA自身可重配置為用戶期望的任意電路的硬體。例如從理論上說,電路在駐留系統期間,可隨時改變成全新的硬體配置,或者作為固定功能電路,或者作為運行軟體的可程式微處理器。可重配置元件允許具備比可程式微處理器更靈活的特性,因為該元件並不拘泥於微處理器具備的原始指令集。

可再使用元件

該術語通常指的是半導體IP,並包含在晶片設計中具有某種程度可再使用特性的IP核或功能塊。例如,某些IP銷售商以“軟核”的形式提供IP。這意味著理論上IP能被合成並應用於跨越多個工廠製程參數的許多不同晶片設計,這使得用戶可以使IP的價格、性能、功耗及上市銷售時間垟到最佳化。這與那些只為特定工廠的製程提供特定最佳化應用參數的“硬核”形成了鮮明對比。但是,可再使用這個術語使用得實在太過廣泛,因此無法保持?定而精確的含義。

可升級元件

這是一個使用過於廣泛而無法給出精確含義的術語,該術語用來描述可被一次次重覆使用的技術功能。可升級通常指的是技術跨越產品性能範圍、功耗極限、價格範圍所具備的升級技術功能。

[Integrated System Design]





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