fpga系列 HDL 00 : 可编程逻辑器件原理

一次性可编程器件（融保险丝实现）

• 一次性可编程器件（One-Time Programmable Device，简称 OTP）是一种在制造后仅能编程一次的存储设备。OTP器件在编程后数据不可更改。这些器件在很多应用场景中具有独特的优势和用途。

示例

• MMI 16R6
  

• 可编程元件（显示为保险丝，下图中的波浪线）将真实输入和补码输入连接到与门。这些与门（也称为乘积项，下图中的面包片）通过“或”（下图中最右侧的圆形三角形）运算在一起，形成乘积和逻辑阵列。
  

类型

1. PROM (Programmable Read-Only Memory)
   • 熔丝型 PROM：通过熔断内部熔丝来编程。这种方法可以通过高电压来破坏选定熔丝，从而改变存储的数据。
   • 反熔丝型 PROM：使用反熔丝技术，通过特定方法在特定位置创建导电路径。

特性

1. 不可擦除：OTP器件一旦编程，数据即固定，无法通过任何手段擦除或重新编程。
2. 高可靠性：由于数据不可更改，OTP器件在安全性和数据保持方面具有很高的可靠性，适用于需要永久保存数据的场合。
3. 低成本：相比于可擦写的存储器，OTP器件在制造和材料成本上通常较低，适用于大批量生产和一次性应用。

多次擦写的可编程逻辑设备（EPROM）

示例

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|          UVEPROM Chip            |
|                                  |
|  +----------------------------+  |
|  |       Silicon Die          |  |
|  |                            |  |
|  |   +--------------------+   |  |
|  |   | 浮栅 MOSFET        |   |  |
|  |   |  Transistors       |   |  |
|  |   +--------------------+   |  |
|  |                            |  |
|  +----------------------------+  |
|                                  |
|  Transparent Quartz Window       |
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原理

• 编程：
  使用专用编程器将数据写入UVEPROM。在编程过程中，高电压（通常为12.5V至21V）被施加到存储单元以改变浮栅电荷状态，从而存储数据。场效应晶体管的开关状态由晶体管控制栅极上的电压控制。当电压施加到栅极时，晶体管内会形成一条传导路径，从而打开开关。在浮置栅极上存储电荷与向栅极施加电压具有相同的效果，从而允许存储数据。
• 擦除（紫外线，UV，ultraviolet）：
  UVEPROM芯片通常具有一个透明的石英窗，通过这个窗口，可以将芯片暴露在紫外光下。紫外光会提供足够的能量，使浮栅上的电荷逸出，从而将存储单元恢复到未编程状态（通常是逻辑高电平）。通常需要几分钟到二十分钟的紫外光照射才能完成擦除过程。

多次擦写的可编程逻辑设备（EEPROM）

示例

• electrically erasable programmable read-only memory

原理

• 编程：编程时，通过施加高电压（通常在12V左右）在控制栅和源极之间，使电子通过隧道效应被注入到浮栅上，从而改变浮栅的电荷状态，这会影响晶体管的阈值电压，从而表示存储的数据位。

• 擦除：擦除时，通过施加反向高电压，使浮栅上的电荷逸出，恢复到未编程状态。

CPLD（Complex Programmable Logic Device）

示例

CPLD 的架构

可编程逻辑块（PLB）

• 存储配置数据的EEPROM，用于设置逻辑块和互连的功能。

• 类PAL块（也称为功能块）通常由16个宏单元组成。每个宏单元由一个与或配置、一个异或门、一个触发器、一个多路复用器和一个三态缓冲器组成。
  

LUT

• LUT（Lookup Table，查找表）是数字逻辑设计中常用的一种元件，用于实现逻辑功能。它是一种存储了输入输出关系的数据结构，在电路中充当逻辑函数的实现。LUT的工作原理类似于一张查找表，它接收一组输入信号，并根据这组输入信号查找对应的输出信号。在数字逻辑中，这组输入信号可以是逻辑门的输入，而查找表存储了每一种输入组合对应的输出。例如，对于一个二输入的AND门，有四种可能的输入组合：00、01、10、11。每种输入组合对应一个输出，因此可以用一个包含四个条目的查找表来实现AND门的功能。
  
  
• 在商业FPGA芯片中，LUT通常有4个或5个输入，分别需要16个和32个存储单元。

FPGA

• PAL通常有额外的电路，包括与或门。FPGA也是如此，除了一个LUT之外，它通常在每个逻辑块中有额外的电路。图b显示了一个触发器是如何被包含在FPGA逻辑块中的，触发器被用来在其时钟输入的控制下存储其D输入的值。

• 通过FPGA实现$x_1{x}_2+\overline{x_2}{x}_3$：

对比CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）和FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）：

CG

• https://en.wikipedia.org/wiki/Programmable_Array_Logic
• https://ja.wikipedia.org/wiki/EPROM
• https://en.wikipedia.org/wiki/EEPROM
• https://www.slideshare.net/anandhd1/programmable-logic-devices-236575565
• https://electronicsforyou.in/cpld/
• https://people.engr.tamu.edu/xizhang/ECEN248/slides_Chapter3_6.pdf
• 可编程只读存储器 PROM 最初是 1956 年作为与洲际弹道导弹相关的军事计划的一部分开发的。这项发明归功于当时在美国博世武器公司工作的 Wen Tsing Chow。商业设备于 1960 年代末问世。
• 1989 年，英特尔在其可训练的人工神经网络 （ETANN） 芯片中采用了 FGMOS 作为模拟非易失性存储器元件，[3] 展示了将 FGMOS 设备用于数字存储器以外的应用的潜力。