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可編程邏輯器件隨著半導體集成電路的4個階段

FPGA與數據通信 ? 2021-08-17 09:16 ? 次閱讀

發展歷史

可編程邏輯器件伴隨著半導體集成電路的發展而不斷發展,其發展可以劃分為以下4個階段:

1.第一階段

20世紀70年代,可編程器件只有簡單的可編程只讀存儲器(PROM)、紫外線可擦除只讀存儲器(EPROM)和電可擦除只讀存儲器(EEPROM)3種,由于結構的限制,它們只能完成簡單的數字邏輯功能。

2.第二階段

20世紀80年代,出現了結構上稍微復雜的可編程陣列邏輯(PAL)和通用陣列邏輯(GAL)器件,正式被稱為PLD,它們能夠完成各種邏輯運算功能。典型的PLD由“與”、“非”陣列組成,用“與或”表達式來實現任意組合邏輯,所以PLD能以乘積和形式完成大量的邏輯組合。PAL器件只能實現可編程,在編程以后無法修改;如需要修改,則需要更換新的PAL器件。但GAL器件不需要進行更換,只要在原器件上再次編程即可。

3.第三階段

20世紀90年代,眾多可編程邏輯器件廠商推出了與標準門陣列類似的FPGA和類似于PAL結構的擴展性CPLD提高了邏輯運算的速度,具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高和適用著圍寬等特點,兼容了PLD和通用門陣列的優點,能夠實現超太規模的電路,編程方式也很靈活,成為產品原型設計和中小規模(一般小于10000)產品生產的首選。

4.第四階段

21世紀初,現場可編程門陣列和CPU相融合,并且集成到了單個的FPGA器件中。典型的,Xilinx推岀了兩種基于FPGA的嵌人式解決方案:

(1)FPGA器件內嵌了時鐘頻率高達500MHz的PowerPC硬核微處理器和1GHZ的ARM Cortex-A9雙核硬核嵌入式處理器。

(2)提供了低成本的嵌入式軟核處理器,如:MicroBlaze、PicoBlaze。

通過這些嵌人式解決方案,實現了軟件需求和硬件設計的完美結合,使FPGA的應用范圍從數字邏輯擴展到了嵌人式系統領域。

可編程邏輯器件工藝

1.熔絲連接工藝

最早允許對器件進行編程的技術是熔絲連接技術。在釆用這種技術的器件中,所有邏輯靠熔絲連接。熔絲器件只可編程一次,一旦編程,永久不能改變。

熔絲的編程原理如圖2.1所示。進行編程時,需要將熔絲燒斷;編程完成后,相應的熔絲被燒斷,如圖2.2所示。

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2.反熔絲連接工藝

反熔絲技術和熔絲技術相反,在未編程時,熔絲沒有連接;編程后,熔絲將和邏輯單元連接。反熔絲開始是連接兩個金屬的微型非晶硅柱,未編程時,呈高阻狀態;編程結束后,形成連接。反熔絲器件只可編程一次,一旦編程,永久不能改變。

反熔絲的編程原理如圖2.3所示。進行編程時,需要將熔絲連接;編程完成后,相應的熔絲被連接,如圖2.4所示。

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3.SRAM工藝

SRAM的結構如圖2.5所示?;陟o態存儲器SRAM的可編程器件,值被保存在SRAM中時,只要系統正常供電,信息就不會丟失,否則信息將丟失。SRAM存儲數據需要消耗大量的硅面積,且斷電后數據丟失,但是這種器件可以反復地編程和修改。

絕大多數的FPGA都采用這種工藝,這就是FPGA外部都需要有一個PROM芯片來保存設計代碼的原因。

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4.掩膜工藝

ROM是非易失性的器件,系統斷電后,將信息保留在存儲單元中。掩膜器件可以讀出信息,但是不能寫入信息。ROM單元保存了行粕列數據,形成一個陣列,每一列有負載電阻使其保持邏輯1,每個行列的交叉有一個關聯晶體管和一個掩膜連接,如圖2.6所示。

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注:這種技術代價比較高,基本上很少使用。

下面對其工作原理進行推導,以幫助讀者理解上圖所實現的功能。

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PROM工藝

PROM是非易失性器件,系統斷電后,信息被保留在存儲單元中。PROM器件可以編程一次,以后只能讀數據而不能寫入新的數據。PROM單元保存了行和列數據,形成一個陣列,每一列有負載電阻使其保持邏輯1,每個行列的交叉有一個關聯晶體管和一個掩模連接,如下圖所示。

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如果可以多次編程,就稱為EPROM和EEPROM技術。

6.FLASH工藝

釆用FLASH技術的芯片的擦除速度比采用PROM技術的芯片要快得多。FLASH技術可采用多種結構,與EPROM單元類似,具有一個浮置柵晶體管單元和EEPROM器件的薄氧化層特性。

編輯:hfy

原文標題:【簡談】可編程邏輯器件發展歷史及工藝分類

文章出處:【微信號:gh_339470469b7d,微信公眾號:FPGA與數據通信】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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