關(guān)于可編程邏輯，你可能已經(jīng)遺忘的8件事

曾幾何時(shí)，原理圖就是工程師們的一切，一張羊皮圖紙，一支自動(dòng)鉛筆，一把直尺，一個(gè)綠色邏輯模版，一塊橡皮擦，一塊金屬擦除模板，直到上世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使原理圖的制作技術(shù)得到了一個(gè)大的飛躍。到上世紀(jì)80年代中期，在原理圖技術(shù)正在發(fā)生轉(zhuǎn)變的時(shí)候，F(xiàn)PGA登上了歷史舞臺(tái)。隨著FPGA的容量越來越大，原理圖變得越來越復(fù)雜和笨拙，這就好像幾年前ASIC設(shè)計(jì)所經(jīng)歷的事情一樣。到了上世紀(jì)90年代，日漸增長(zhǎng)的復(fù)雜度迫使工程師們學(xué)習(xí)Verilog和VHDL語言來使用大容量的器件，現(xiàn)在，這項(xiàng)流行的技術(shù)已經(jīng)基本取代了原理圖輸入。但是，在Xilinx Vivado設(shè)計(jì)套件的IP集成工具中，我們可以看到原理圖輸入的新的形式，在這里，IP模塊以一種圖形化的視圖形式出現(xiàn)，而不用再去考慮IP內(nèi)部的復(fù)雜度，圖形化設(shè)計(jì)又重新在設(shè)計(jì)中占有了一席之地。

FPLA，PAL和GAL在1975年，Signetics(西格尼蒂克)公司出品的第一代可編程邏輯器件被稱為FPLA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列)。FPLA的特點(diǎn)是尺寸大、速度慢、價(jià)格昂貴、不易使用，并且功耗很大，這些特點(diǎn)導(dǎo)致它無法在商業(yè)領(lǐng)域獲得成功。MMI(Monolithic Memories Inc)推出簡(jiǎn)化改進(jìn)后的FPLA，又稱為PAL(可編程陣列邏輯)，是第一個(gè)獲得成功的可編程邏輯器件，改進(jìn)之后，不可以對(duì)或陣列進(jìn)行編程，這樣大大簡(jiǎn)化了片上的互連以及可編程的熔斷點(diǎn)。MMI制造的雙極型PAL非常便宜，這也助長(zhǎng)了“blow-and-go”工程設(shè)計(jì)模式(不需要做任何仿真)的滋長(zhǎng)，許多設(shè)計(jì)工程師的工作臺(tái)上都有一小堆用過的PAL器件來提醒自己更加細(xì)心的工作。(我把我用壞的PAL器件放在一個(gè)紙杯中)PAL器件獲得巨大成功，以至于國(guó)家半導(dǎo)體、TI和AMD等公司都開始提供管腳兼容的器件。在上世紀(jì)80年代，雙極型PAL發(fā)展成了基于EPROM的GALs(通用陣列邏輯)，并最終演變成CPLD。

熔絲映射

我們并不總是用HDL語言來配置可編程邏輯。工程師們?cè)?jīng)使用熔絲圖來直接表現(xiàn)片上的熔斷點(diǎn)和互連，根據(jù)邏輯等式，可以在PAL數(shù)據(jù)手冊(cè)的片上互連圖上進(jìn)行標(biāo)注，以此來表示哪些熔絲需要熔斷，哪些保持不變，然后需要手工把熔絲圖轉(zhuǎn)換為一個(gè)包含“0”和“1”字符串的二進(jìn)制編程文件，這個(gè)文件可以告訴器件編程人員哪些熔絲需要熔斷，哪些保持不變。幸運(yùn)的是，熔絲圖編程方法很快就不再被人們所采用。這是一張MMI熔絲圖，出自EETimes的“How It Was: Programmable Logic”，作者是Max Maxfield。該文是基于Aubrey Kagan的口述整理而成，他是一家位于多倫多，從事工控接口和開關(guān)電源設(shè)計(jì)的公司(Emphatec)的工程主管。

MMI熔絲圖

ABEL(高級(jí)布爾表達(dá)式語言)

由Data I/O公司在1984年4月份提出的一種早期的硬件描述語言。在那個(gè)時(shí)代里，ABEL與CUPL和PALASM同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。Data I/O公司拆分ABEL產(chǎn)品線，成立一個(gè)名為Synario設(shè)計(jì)系統(tǒng)的EDA公司，然后，又在1997年把Synario賣給了MINC公司。MINC是一家專注于開發(fā)FPGA開發(fā)工具的公司，該公司在1998年倒閉，Xilinx收購(gòu)了MINC的部分資產(chǎn)，這其中就包括了ABEL語言和工具集，ABEL成為Xilinx Webpack工具套件的一部分。點(diǎn)擊此處閱讀Michael Holly撰寫的ABEL語言的歷史，Michael Holly是Data I/O公司最早的開發(fā)人員之一。

CUPL(通用可編程邏輯的編譯器)

加州圣何塞的Assisted Technology最早研發(fā)出CUPL，并在1983年9月份對(duì)外發(fā)布。出于可移植性的考慮，CUPL是用C語言開發(fā)而成，它是最早的商業(yè)化設(shè)計(jì)工具，可以支持多個(gè)PLD系列，Personal CAD Systems (P-CAD)在1985年收購(gòu)了Assisted Technology以及CUPL，可編程器件供應(yīng)商Logical Devices后來收購(gòu)了CUPL，然后轉(zhuǎn)手賣給了Altium，在上世紀(jì)90年代，CUPL出現(xiàn)在Altium公司的Protel設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，現(xiàn)在是以一個(gè)設(shè)計(jì)插件的形式存在。Logical Devices仍然提供PAL/PLD設(shè)計(jì)軟件，用于基于PROM/ EPROM可編程邏輯器件，這個(gè)軟件就是CUBEL，它是在早期的CUPL和ABEL硬件描述語言的基礎(chǔ)上開發(fā)而成。

PALASM

上世紀(jì)80年代早期，MMI公司的John Birkner合作開發(fā)了“PAL匯編語言”，以此來取代熔絲圖編程。它最初是用Fortran IV編寫而成，可以運(yùn)行在大型主機(jī)或者微機(jī)上。Birkner創(chuàng)立了Structured Design公司，該公司提供SD20 PAL編程器，用于第一代20個(gè)管腳的MMI雙極型PAL器件，后面又推出SD20/24編程器，增加了對(duì)24個(gè)管腳的PAL器件的支持。Structured Design的器件編程器使用內(nèi)嵌的PALASM編譯器，不需要使用微機(jī)，程序可以保存在SD20的Exatron “Stringy Floppy”磁帶驅(qū)動(dòng)器中，或者通過RS-232串行接口來輸入和輸出，通常情況下，RS-232是與PC機(jī)進(jìn)行連接。

Data I/O器件編程器

當(dāng)需要一個(gè)通用的器件編程器，既可以用于EPROM，也可以用于可編程邏輯器件，那么就需要了解Data I/O公司，它制造出了最早的商用編程器。Data I/O成立于1969年，在整個(gè)70年代，為了適應(yīng)可編程器件日益提高的復(fù)雜度，它推出了一系列處理能力不斷增強(qiáng)的產(chǎn)品。在80年代，Data I/O推出Model 29型號(hào)的編程器，它能夠使用UniPak適配器來對(duì)EPROM進(jìn)行編程，也可以使用一個(gè)LogicPak插件適配器來對(duì)PLD器件進(jìn)行編程。Data I/O現(xiàn)在提供為生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的大容量、高速度的器件編程器。

Data I/O Model 29B編程器外加LogicPak適配器。圖片來源: Michael Holley

UV擦除器

最早的可編程邏輯器件使用片上可編程熔絲，它們只能一次性編程，導(dǎo)致工程師的桌上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一堆燒壞的器件，一些PLD供應(yīng)商很快意識(shí)到可擦除的PLD器件會(huì)更加受到市場(chǎng)歡迎，他們改進(jìn)了UV EPROM單元用于PLD器件，這樣，也就意味著絕大部分的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室需要有一個(gè)UV擦除器來負(fù)責(zé)擦除可編程邏輯器件中的內(nèi)容。UV擦除器曾經(jīng)相當(dāng)昂貴，但是現(xiàn)在在亞馬遜只要不到20美金就能買到買到一個(gè)簡(jiǎn)單的UV擦除器。

德州儀器TTL數(shù)據(jù)手冊(cè)

如果你是一個(gè)上世紀(jì)70年代的數(shù)字設(shè)計(jì)工程師，那么有著橘黃色封面的TI TTL數(shù)據(jù)手冊(cè)就是你的設(shè)計(jì)圣經(jīng)。在手冊(cè)里，你能夠找到設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)所能用到的所有模塊。在1971年TI 7400系列邏輯器件首次引入微處理器概念之前，許多系統(tǒng)都是基于沒有微處理器的TTL器件或者其他LSI的器件來開發(fā)的。最早的用于可編程邏輯器件的IP模塊是TI TTL數(shù)據(jù)手冊(cè)及其補(bǔ)充部分描述的更加復(fù)雜的部件，設(shè)計(jì)人員使用這種內(nèi)嵌數(shù)字模塊的可編程邏輯，可以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，這些數(shù)字模塊就是IP重用的早期原型。