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變化迅速的市場需求驅使越來越多的系統設計者在他們的嵌入式解決方案中使用PLD來緩解產品上市時間的壓力以及設計靈活性需求。該市場傳統上由ASSP和ASIC所主宰。而PLD過去一直被認為是高成本、高功耗的方案。但是，隨著摩爾定律的繼續生效使PLD的單位成本不斷下降，在諸如通信、計算、外設、工業、醫療、消費和汽車等大批量應用中，PLD的靈活性、可編程性和加快上市的固有優點成為可行的ASIC和ASSP替代方案。而且硅工藝和設計優化使PLD可用于廣泛的低功耗應用。 上市時間與設計靈活性 隨著市場需求迅速變化，產品快速上市顯得比過去更加關鍵。最可行的解決方案是縮短開發周期以緩解上市時間的壓力。可編程邏輯可使設計者達此目的。圖1以基于兩者的產品開發周期的比較，說明PLD產品如何有助于新產品的引入。 圖1:產品開發周期 另外，由于產品生命周期的縮短，ASSP的固定功能特性無法滿足產品變化的需求。越來越多的設計者在他們的產品中使用可編程邏輯，通過修改PLD設計和重構器件執行新的操作以開發新功能和標準品。使用可編程邏輯，設計者可以在引入產品時提供幾個不同的版本，以及能在現場對產品進行任意的更新，而無需額外的工程計劃并能降低成本。 生產成本 一般會使用PLD來實現產品原型，然后用ASIC進行量產。然而ASIC開發過程需要很長的開發周期和非常高的一次性工程費用（NRE）。因此，問題就變成到底是用ASIC的投資回報好還是用PLD的投資回報好。（90nm或更先進）工藝的進步使得PLD制造商縮小了與ASIC之間的大批量價格差距。10萬片及以上的128個宏單元或更小的超低密度PLD的批量單價大約為1.5美元。 使用CPLD和FPGA進行設計需要考慮靜態功耗和動態功耗。在大多數電池供電的應用中，為了延長電池的壽命，待機或靜態電流是最關鍵的參數。大多數應用中，瞬態大電流只是短暫的（例如用手機交談時）。而大多數時間內處于待機狀態的手機幾乎不消耗電能。在系統中進行設計優化可以進一步降低功耗。 低密度、低功耗CPLD 對于較小的設計，例如總線接口、橋接和手持設備（見圖2），使用低功耗、基于閃存的CPLD能提供更低成本的低到超低密度的解決方案。 對于功耗敏感型應用，Lattice半導體公司的ispMACH4000Z（Z表示零功耗）CPLD能提供相當好的低功耗解決方案。 圖2:用Lattice ispMACH4000Z進行PMP設計 由于可從多個供應商那里選擇眾多的器件，因此完全理解設計需求變得尤為重要。下列準則有助設計者選擇合適的CPLD： 1. 靜態和動態功耗的預算是多少？ 2. 為了向橋接和接口應用提供總線寬度，所需I/O和邏輯的比值是多少？ 3. 該應用的最佳密度和封裝是什么？ 4. 輸出所需的電壓容差是多少？ 5. 所需的時序裕度是多少？ 6. 所選的器件是否現場可編程的，以及開發工具是否容易使用？ 7. 有哪些安全性的要求？ 不同CPLD供應商有不同的規范和要求，因此選擇合適的器件取決于哪些參數對設計是關鍵的。表1為該器件為匹配設計要求而提供的一組規范。 表1 該器件為匹配設計要求而提供的一組規范 中密度PLD設計的低功耗解決方案 高密度設計需要基于查閱表(LUT)的PLD，例如FPGA或者交叉式PLD器件。這些器件能夠提供更多的嵌入式的功能、更大的存儲器、更高速度、用于時序管理的PLL和DLL、DSP以及串行連接。采用LUT結構，FPGA可以滿足這些設計要求，提供更大的設計靈活性。 大多數基于LUT的FPGA沒有“零功耗”選擇。但是系統設計者可以在系統的某些工作周期中關閉器件以降低功耗。圖3給出了非易失FPGA的快速電源冷啟動是如何降低總功耗的。上電之后能迅速地獲取邏輯功能的非易失器件對這些應用是理想的。另一方面，基于SRAM的FPGA耗費大部分工作周期用于配置。 圖3:用非易失FPGA在工作周期中降低功耗 大多數FPGA是基于SRAM的，但是現在已有基于閃存的非易失FPGA。非易失FPGA比基于SRAM的FPGA更具設計優勢。(參見圖4)除了管理電源的功能之外，非易失FPGA的優點還包括： 1. 無需引導PROM，減少了材料清單（BOM）中的器件； 2. 無需位流，提供最高的設計安全性； 3. 實時的系統內可編程性具有調試和更新能力； 4. 無限重構的SRAM FPGA結構。 圖4:非易失FPGA Lattice半導體公司的交叉式可編程器件MachXO就是一個很好的例子。相對傳統CPLD來說，MachXO器件兼有FPGA和CPLD的非易失、低成本、瞬時上電的高性能邏輯解決方案的優點。 本文小結 由于具備上市時間優勢、靈活性、可編程性和低功耗選擇，CPLD和 FPGA在迅速變化的市場中成為廣泛應用的可行的設計解決方案。具多種密度和多樣嵌入功能特色的PLD能為設計提供快速開發周期。正如文中所述，它們能夠針對低功耗和系統的高度整合進行設計優化。隨著工藝的不斷改進，ASIC與 PLD之間的價格也正迅速接近。 |
