變化迅速的市場需求驅使越來越多的系統(tǒng)設計者在他們的嵌入式解決方案中使用PLD來緩解產(chǎn)品上市時間的壓力以及設計靈活性需求。該市場傳統(tǒng)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(xù)生效使PLD的單位成本不斷下降，在諸如通信、計算、外設、工業(yè)、醫(yī)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(yōu)點成為可行的ASIC和ASSP替代方案。而且硅工藝和設計優(yōu)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(chǎn)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(fā)周期以緩解上市時間的壓力?？删幊踢壿嬁墒乖O計者達此目的。圖1以基于兩者的產(chǎn)品開發(fā)周期的比較，說明PLD產(chǎn)品如何有助于新產(chǎn)品的引入。

圖1:產(chǎn)品開發(fā)周期

另外，由于產(chǎn)品生命周期的縮短，ASSP的固定功能特性無法滿足產(chǎn)品變化的需求。越來越多的設計者在他們的產(chǎn)品中使用可編程邏輯，通過修改 PLD設計和重構器件執(zhí)行新的操作以開發(fā)新功能和標準品。使用可編程邏輯，設計者可以在引入產(chǎn)品時提供幾個不同的版本，以及能在現(xiàn)場對產(chǎn)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(chǎn)成本

一般會使用PLD來實現(xiàn)產(chǎn)品原型，然后用ASIC進行量產(chǎn)。然而ASIC開發(fā)過程需要很長的開發(fā)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(tài)功耗和動態(tài)功耗。在大多數(shù)電池供電的應用中，為了延長電池的壽命，待機或靜態(tài)電流是最關鍵的參數(shù)。大多數(shù)應用中，瞬態(tài)大電流只是短暫的(例如用手機交談時)。而大多數(shù)時間內處于待機狀態(tài)的手機幾乎不消耗電能。在系統(tǒng)中進行設計優(yōu)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(tài)和動態(tài)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(xiàn)場可編程的，以及開發(fā)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(guī)范和要求，因此選擇合適的器件取決于哪些參數(shù)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(guī)范。

表1 該器件為匹配設計要求而提供的一組規(guī)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，F(xiàn)PGA可以滿足這些設計要求，提供更大的設計靈活性。

大多數(shù)基于LUT的FPGA沒有“零功耗”選擇。但是系統(tǒng)設計者可以在系統(tǒng)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(shù)FPGA是基于SRAM的，但是現(xiàn)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(yōu)勢。(參見圖4)除了管理電源的功能之外，非易失FPGA的優(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(yōu)點。

本文小結

由于具備上市時間優(yōu)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(fā)周期。正如文中所述，它們能夠針對低功耗和系統(tǒng)的高度整合進行設計優(yōu)化。隨著工藝的不斷改進，ASIC與 PLD之間的價格也正迅速接近。