数字集成电路由早期的电子管、晶体管、中小规模集成电路，发展到超大规模集成电路以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD），使得可编程逻辑器件逐渐成为微电子技术发展的主要方向。

5.1.1.1　可编程逻辑器件技术的发展历史

可编程逻辑器件出现于20世纪70年代，是一种半定制逻辑器件，它给数字系统的设计带来了革命性的变化。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）3种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。

其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（PLD），它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与-或”表达式来描述，所以PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。

这一阶段的产品主要有PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑）。PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列（PLA），它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。随后在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic），如GAL16V8，GAL22V10等。它采用了EEPROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。

为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期。Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD（Complex Programmable Logic Device）和与标准门阵列类似的FPGA（Field Programmable Gate Array），它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活；同时与门阵列等其他ASIC相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无须测试、质量稳定，以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10000件以下）之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。

FPGA与CPLD都是可编程逻辑器件，它们是在PAL、GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL、GAL等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片，这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过多年的努力，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件，比较典型的就是Altera公司的CPLD器件系列和Xilinx公司的FPGA器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD市场。

5.1.1.2　可编程逻辑器件的分类

PLD的种类繁多，各生产厂家命名各不相同，一般可按以下几种方法进行分类。

（1）按集成度来区分。

1）简单PLD，逻辑门数500门以下，包括PROM、PLA、PAL和GAL等器件。

2）复杂PLD，芯片集成度高，逻辑门数500门以上，或以GAL22V10作参照，集成度大于GAL22V10，包括EPLD、CPLD、FPGA等器件。

（2）从编程结构来区分。

1）乘积项结构PLD，包括PROM、PLA、PAL，GAL、EPLD和CPLD等器件。

2）查找表结构PLD，FPGA属此类器件。

（3）从互连结构来区分。

1）确定型PLD。确定型PLD提供的互连结构，每次用相同的互连线布线，其时间特性可以确定预知（如由数据手册查出），是固定的，如CPLD。

2）统计型PLD。统计型结构是指设计系统时，其时间特性是不可以预知的，每次执行相同的功能时，却有不同的布线模式，因而无法预知线路的延时，如Xilinx公司的FPGA器件。

（4）从编程工艺来区分。

1）熔丝型PLD。如早期的PROM器件，编程过程就是根据设计的熔丝图文件来烧断对应的熔丝，获得所需的电路。

2）反熔丝型PLD。如OTP型FPGA器件，其编程过程与熔丝型PLD相类似，但结果相反，在编程处击穿漏层使两点之间导通，而不是断开。(www.daowen.com)

OTP是一次可编程（One Time Programming）的英文缩写，以上两类都是OTP器件。

3）EPROM型PLD。EPROM是可擦可编程只读存储器（Erasable PROM）的英文缩写，EPROM型PLD采用紫外线擦除，电可编程，但编程电压一般较高，编程后，下次编程前要用紫外线擦除上次编程内容。

在制造EPROM型PLD时，如果不留用于紫外线擦除的石英窗口，也就成了OTP器件。

4）EEPROM型PLD。EEPROM是电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable PROM）的英文缩写，与EPROM型PLD相比，不用紫外线擦除，可直接用电擦除，使用更方便，GAL器件和大部分EPLD，CPLD器件都是EEPROM型PLD。

5）SRAM型PLD。SRAM是静态随机存储器（Static Radom Access Memory）的英文缩写，可方便快速地编程（也称配置），但掉电后，其内容即丢失，再次上电需要重新配置，或加掉电保护装置以防掉电，大部分FPGA器件都是SRAM型PLD。

5.1.1.3　可编程逻辑器件的未来趋势

先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA的生产，越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中，基于FPGA的开发成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不断提高，FPGA的集成度将不断提高，制造成本将不断降低，其作为替代ASIC来实现电子系统的用途将日趋明显。功能上从最初的单纯FPGA发展到内嵌CPU、DLL等的SOPC，工艺上从最初的0.5μm向45 nm发展。

可编程逻辑器件的发展趋势如下：

1）向大容量、低电压、低功耗方向发展。

2）向系统级高密度方向发展。

3）向高速可预测延时方向发展。

4）向数/模混合可编程方向发展。

5）向多功能、嵌入式模块方向发展。

6）向SOPC方向发展。

5.1.1.4　常用可编程逻辑器件

经过多年的发展，可编程逻辑器件设计技术和加工工艺成熟，产品门类齐全，可以提供上百个系列品种。可编程逻辑器件生产商主要为Altera和Xilinx两家公司，它们引领着FPGA的发展潮流，主导着FPGA的发展方向。另外几家颇具竞争力的可编程逻辑器件供应商分别是Lattice、Actel、Atmel、AMD、AT&T、Cypress、Intel、Motorola、Quicklogic、TI等。

Altera是最大可编程逻辑器件供应商之一，主要产品有MAX3000/7000、FLEX10K、APEX20K、ACEX1K、Cyclone、Stratix等。其中Cyclone系列属于低成本FPGA，它包括Cyclone、CycloneⅡ、CycloneⅢ（和LS）以及CycloneⅣ（E和GX）；Stratix系列属于高端FPGA，它包括Stratix GX、StratixⅡGX、StratixⅢ（L和E）、StratixⅢ（E，GX和GT）以及Stratix V（E，GX，GS，GT）。Altera系列产品相应的开发软件为MaxplusⅡ和QuartusⅡ。

Xilinx的产品种类较全，主要有XC 9500/4000、Spartan、Coolrumner（XPLA3）、Virtex等。相应的开发软件为Foundition和ISE。

Lattice是ISP技术的发明者，与Altera和Xilinx相比，其开发工具比Altera和Xilinx略逊一筹，其中小规模PLD比较有特色，不过其大规模PLD、FPGA的竞争力还不够强。主要产品有ISP LSI 2000/5000/8000、MACH 4/5、ISP MACH 4000等。

ACTEL是反熔丝PLD的领导者，由于反熔丝PLD抗辐射，耐高低温，功耗低，速度快，所以在军品和宇航级产品上有较大优势。主要产品有IGLOO、ProASIC、Axcelerator等。