5.1  ISP技术的特点

     PLD器件自20世纪70年代发明以来，从熔丝型到光擦除型；到80年代又发展成为点擦除型；到90年代则进一步发展成为在系统编程型。
    在系统编程（ISP),是指用户具有在自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑而对逻辑器件进行编程或反复改写的能力。ISP为用户提供了传统的PLD技术无法达到的灵活性，带来了巨大的时间效益和经济效益，是可编程逻辑技术的实质性飞跃，因此被称为PLD设计技术的一次革命。    
    常规PLD在使用中通常是先编程后装配。而采用ISP技术的PLD，则是先装配后编程，且成为产品之后还可反复编程。
    ISP器件的出现，从实践上全面实现了硬件设计与修改的软件化，使得数字系统的设计面貌焕然一新。也就是说，硬件设计变得像软件一样易于修改，硬件的功能可以随时进行修改，或按预定程序改变组态进行重构。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统调试周期，而且还根除了对器件单独编程的环节，省去了器件编程设备，简化了目标设备的现场维护和升级工作。

5.1.1 设计工作中的优越性
    1．ISP技术设计调试方法的优点
    传统的样机设计，首先是根据样机功能选定某种重要逻辑构件如RAM之类，在此基础上进行系统级逻辑设计，然后设计电路板，最后装配调试。如果要增减逻辑或修改逻辑，必须首先推倒原来设计的电路板，再重新设计新的电路板，之后再进行装配调试，直至样机设计工作完毕。当采用ISP器件进行设计时，可把上述重要部件全部安放在样机板上，然后再用可编程逻辑器件和可编程开关器件按预定功能将其联系起来。若要改变设计，无论是增减还是修改逻辑，都能够通过设计工具软件在数分钟内完成。重构的逻辑通过一根五芯编程电缆从计算机写入到样机板上的ISP器件之中。这种无需改动元器件或印制电路板就可修改系统功能的特点是ISP技术的优点之一。
    由于ISP技术能够在不取下器件的情况下直接在线路板上重新编程，直接在芯片上对设计进行修改与验证，从而允许一些无法预料的逻辑变动在设计过程中能够早日确定，因此可大大缩短系统的设计、调试周期，是一种全新的设计方法，并支持设计方案的保密。
    图5．0示出ISP器件的设计流程图。

图5.0  ISP器件的设计流程图

ISP技术的特点
   ◆ 常规的PLD在使用中通常是先编程后装配，而采用ISP器件则是先装配后编程，且不需要专门的编程器。
    ◆ ISP技术无需改动印制电路板，且在不取下器件的情况下，可直接在芯片上对系统设计进行修改和编程
   ◆ ISP器件的出现，从实践上全面实现了硬件设计的软件化，从而使硬件设计变得像软件设计一样易于修改。
    ◆ 在ISP技术支持下，硬件的功能还可以随时进行重构或升级，从而简化了目标设备的现场维护和升级工作。
   ◆ ISP技术不仅引起逻辑设计领域变革，从而还使器件制造流程技术大大简化，从而降低了成本，提高了可靠性。
    2．系统调试
   硬件子系统与软件配合成为系统调试的一个较大的难题。采用ISP技术后，这种硬件与软件之间的沟通很容易建立，并且能够更快地实现软硬件之间的最初连接。ISP器件中的逻辑可以与软件一起进行修改，从而加速了系统调试，实现协同设计方案的最优化。最为实际的好处是减少电路板的返工，从而迅速地完成系统级的调试工作。
    一旦ISP器件中的逻辑调试完成后，还可以利用这些ISP器件来调试系统的其他部分。例如工作于某一系统中的电路板如果需要其他电路板提供激励信号，调试者可以利用在系统编程能力，通过重构ISP器件来引导信号(如时钟或控制信号)进入该板需要调试的其他部位，从而迅速地完成系统级调试。内部调试可以全面验证电路板设计能力，减少系统级调试的时间。
    3．电路板的重构和现场升级换代
    在采用常规逻辑技术的情况下，对安装在用户现场的系统进行硬件升级、硬件故障修复或者硬件某项功能的激活是非常困难的，并且代价是高昂的。
    在采用ISP器件的情况下，如果需要进行逻辑重构、产品升级或设备检修，则无论在现场还是在工厂，只需一张升级磁盘就可实现逻辑重构。当今的微处理机带有软盘驱动器、磁盘驱动器或红外数据传输口，甚至联网或带有调制解调器。在系统编程软件能够方便地被移植到以上任何平台上，嵌入到用户的系统软件之中。系统一旦通过上述外设收到新的器件组态程序，微处理机I／O端口产生的ISP控制信号及其数据，就立即可以实现现场升级。

5.1.2 ISP技术的特点
    1．生产流程简化
    ISP技术不仅引起逻辑设计领域的变革，而且还使生产制造技术有了质的飞跃。
常规的PLD有两种，一种是已编程的芯片，另一种是自行编程的空白芯片。对于各种已编程的器件，必须区别对待，并在用量的测算、订货、库存等方面都必须分别处理。而ISP器件只需几种型号，不需要预先编程，这样就使保管、库存等变得简单起来，从而使PLD器件的数量减少，降低总的PLD器件库存成本。图5．1示出ISP制造流程与非ISP制造流程的比较。
    另外，对多引脚芯片编程、拆装及其他操作，容易造成引脚的弯曲和永久性损坏。 况且将引脚多、间距离的芯片插入编程器是不容易的。而在贴标签与库存周转过程中，有时也会把器件引脚弄弯。引脚的弯曲导致引脚平整度下降与焊接不良，增加了电路板和系统故障的排除时间。
    采用ISP器件，可在芯片进厂后直接到生产场所将其安装在印刷电路板上，避免了单独编程和注标记的操作过程，简化了制作流程，避免了环节多而引起的引脚损伤，从而降低了成本。

图5.1 制造流程比较

　

 其动画演示如下：

    2．多功能硬件的实现
    用ISP技术实现多功能硬件的基本概念是：通过在系统编程，单独一种硬件设计可以实现多种系统级功能。
    多功能硬件能使制造者减少在同一系统中使用不同线路板的品种，从而简化了生产流程，并使系统成本显著降低。
    双CPU板是多功能硬件的典型例子，它要求与多种总线接口相适配。传统的设计方法需针对各种总线标准设置一套专用逻辑，其结果，要么是每种总线标准用一块专用电路板，要么是在一块板上再附加必要的逻辑电路，这样就需要多种电路板或大量附加电路。ISP器件则使得单块通用总线接口板的设计成为可能。这种通用板可以在系统中被构置成各种总线标准的接口方式，即仅需一块电路板就能实现各种总线结构，从而大大节约了元器件，降低了成本。
    3．边界扫描
    随着系统板上元器件密度及I／O数增加，信号注入和测试电路板上关键节点的难度越来越大。为此提出了一种新的测试技术——边界扫描测试技术。
    采用边界扫描技术后，通过测试传输口将原先用标准测试方法无法接触的关键节点用环路串接起来，大大简化了现场诊断与测试过程，更进一步提高了整个系统的质量。又因边界扫描测试的串行通道和控制引脚还兼用作ISP编程，因而使生产总成本下降。
    IEEE对此制订了测试标准。LatticeispLSl 3000以上系列器件都有实现边界扫描测试功能，从而大大简化了现场诊断和测试功能。
    4．系统维修
    有了ISP技术，对现场服务就有了很大保证。不管用户需要对产品的维护，还是要求产品升级，只要凭借一张磁盘就能实现，从而降低了现场维护的成本。此外，利用ISP各类健全的文档不断推出的软件支持，使系统的维护过程不断简化。而这些优点在常规逻辑设计技术中是几乎不可能实现的。

5．1．3 在系统编程的电可擦CMOS工艺

    在系统编程的电可擦CMOS工艺是将E²CMOS工艺和ISP技术融合起来，使ISP器件具有高逻辑密度、低功耗，擦除与改写时间为秒数量级，而且有100％的参数可测试性及100％的编程和功能正确率。商业级ISP器件在0~70⁰C范围内均可进行ISP编程，至少可保证10000次编程或擦除，以及20年的编程数据保持期。
    E²CMOS工艺的非易失性意味着在掉电或上电之后不需要对ISP器件重新进行编程，这与基于SRAM的可编程器件截然不同。此外，ISP器件无需采用附加存储器件来保存逻辑组态数据。ISP器件还设有“保密位”，用来防止对片内编程模式的非法复制。保密位一旦被编程，就可阻止对片内功能位的读出。器件一经加密，就不能从中读出编程模式。
  然而，已被加密的芯片可以通过用户电子标签来加以识别。电子标签区域是对用户开放的，可用来记录诸如编程版本和器件功能等的产品数据。