现场可编程门阵列

现代生物医学仪器正在向着微型化、多功能化、系列化等方向发展 ， 系 统 中 的 数 字 部 分 越 来 越 重 要 。 现 场 可 编 程 门 阵 列是一种新型可编程逻辑器件， 性能优良，应用于生物医学工程领域，可显著降低数字系统的开发成本。

随着计算机技术和电子技术的发展， 现代医学仪器已经向着智能化、小型化、多功能化方向发展， 在仪器设计中数字化程度越来越高， 用到的ASIC数量和规模越来越大。 由于现场可编程逻辑器件的出现，ASIC的设计与制造，已不再完全由半导体商家独立承担，设计者在实验室里也可以自己设计出合适的ASIC芯片，并且立即进行实际应用，现在应用最广的主要是现场可编程门阵列。现场可编程门阵列器件是一种新型的高密度可编程逻辑器件，采用CMOS-SRAM工艺制造。 现场可编程门阵列是新一代的数字逻辑器件， 它们的规模比较大， 适合于时序、组合等逻辑电路应用场合， 它可替代几十甚至上百片通用中等规模以上的 WI 芯片。它不仅具有很高的速度和可靠性，而且具有用户可重复定义的逻辑功能，即具有可重复编程的特点。因此，现场可编程门阵列使数字电路系统的设计非常灵活， 并且显著缩短了系统研制的周期，缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的种类。 在生物医学工程领域，得益于现场可编程门阵列的发展，现代医学仪器设计用现场可编程门阵列取代中小规模芯片做逻辑控制， 在医学信号采集与处理、图像获取与处理、便携式医学仪器设计等方面得到了应用。

现场可编程门阵列是一种程序驱动逻辑器件， 就像一个微处理器， 其控制程序存储在内存中， 加电后，程序自动装载到芯片执行。 现场可编程门阵列一般由2 个可编程模块和存储SRAM构成。CLB是可编程逻辑块，是现场可编程门阵列的核心组成部分， 是实现逻辑功能的基本单元， 主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等数字逻辑电路构成。IOB 是输入输出模块， 它提供了芯片引脚和内部逻辑阵列之间的连接， 主要包括输入触发器、输入缓冲器、输出触发 . 锁存器和输出缓冲器，每一个IOB控制一个引脚， 可独立编程为输入、输出和双向I/O， 非常灵活，而且兼容 CMOS和TTL两种电平。

IR是可编程互联资源，包括各种金属线和可编程连接开关，其主要任务是将各个CLB之间和IOB之间互相连接起来， 构成各种功能复杂的系统， 共有 2 种类型：①直接连接线，这种连接线延时最少， 但仅限于相邻的CLB、IOB 之间选用。 ②通用内部连接线，这是最灵活的连接方式， 可以连接任意两点， 是最常用的方式。 ③长线，这种方式是以最小延时做远距离连接，是最贵的资源，实际使用时须做合理的运用 [1] 。现场可编程门阵列的内部存储单元 SRAM( 静态存储器)是专门设计的， 具有可靠性高、抗干扰能力强、保密性好等优点， 器件在出厂时都由厂家进行安全可靠性测试，保证在最不利的情况下也能保证安全性， 不至于发生软错误， 因此基于现场可编程门阵列设计的系统具有高度可靠性 [1] 。基于现场可编程门阵列的系统设计不同于传统的设计方法， 是一种自上而下的设计， 从系统设计总体要求出发， 逐步将设计内容细化， 最后完成系统的整体设计，这种设计使得电路设计更趋于合理， 显著缩短了设计周期， 降低费用， 降低了硬件电路设计的难度 [1] 。现场可编程门阵列是用软件来实现硬件电路的功能， 通过设计软件就可以得到想要的硬件电路功能， 而要修改硬件设计时只要重新修改软件就可以了，时下各大现场可编程门阵列厂家都提供了功能强大的现场可编程门阵列开发软件包， 对于一般的电路， 完全不需要人工干预就可以自动完成， 而采用人工干预，则可以实现特殊功能需求的设计。