可编程器件的发展现状及典型公司器件的特点

1、可编程器件的发展现状及典型公司器件的特点可编程逻辑器件英文全称为Programmable Logic Device，即 PLD。PLD是作为一种通用集成电路产生的，它的逻辑功能按照用户对器件编程来确定。可编程逻辑器件是集成电路技术发展的产物。很早以前，电子工程师们就曾设想设计一种逻辑可再编程的器件，但由于集成电路规模的限制，难以实现。二十世纪七十年代，集成电路技术迅猛发展，随着集成电路规模的增大，MSI、LSI出现，可编程逻辑器件才得以诞生和迅速发展。 一、可编程程器件的的发展历历史1、第一阶阶段:PPLD诞诞生及简简单PLLD发展展阶段 二十世纪七七十年代代，熔丝编编程的PPROMM(Prr

2、ogrrammmablle Reaad Onlly Memmoryy)和PPLA(Proograammaablee Loggic Arrray)的出现现，标志着着PLDD的诞生生。可编程程逻辑器器件最早早是根据据数字电电子系统统组成基基本单元元-门电电路可编编程来实实现的，任何组组合电路路都可用用与门和和或门组组成，时序电电路可用用组合电电路加上上存储单单元来实实现。早期PPLD就就是用可可编程的的与阵列列和(或或)可编编程的或或阵列组组成的。 PROM是是采用固固定的与与阵列和和可编程程的或阵阵列组成成的PLLD，由于输输入变量量的增加加会引起起存储容容量的急急剧上升升，只能用用于简单单组合

3、电电路的编编程。PLAA是由可可编程的的与阵列列和可编编程的或或阵列组组成的，克服了了PROOM随着着输入变变量的增增加规模模迅速增增加的问问题，利用率率高，但由于于与阵列列和或阵阵列都可可编程，软件算算法复杂杂，编程后后器件运运行速度度慢，只能在在小规模模逻辑电电路上应应用。现在这这两种器器件在EEDA上上已不再再采用，但PRROM作作为存储储器，PLAA作为全全定制AASICC设计技技术，还在应应用。 二十世纪七七十年代代末，AMDD公司对对PLAA进行了了改进，推出了了PALL(Prrogrrammmablle Arrray Loggic)器件，PALL与PLLA相似似，也由与与阵列和和

4、或阵列列组成，但在编编程接点点上与PPAL不不同，而与PPROMM相似，或阵列列是固定定的，只有与与阵列可可编程。或阵列列固定与与阵列可可编程结结构，简化了了编程算算法，运行速速度也提提高了，适用于于中小规规模可编编程电路路。但PAAL为适适应不同同应用的的需要，输出II/O结结构也要要跟着变变化，输出II/O结结构很多多，而一种种输出II/O结结构方式式就有一一种PAAL器件件，给生产产，使用带带来不便便。且PAAL器件件一般采采用熔丝丝工艺生生产，一次可可编程，修改电电路需要要更换整整个PAAL器件件，成本太太高。现在，PALL已被GGAL所所取代。 以上可编程程器件，都是乘乘积项可可编程

5、结结构，都只解解决了组组合逻辑辑电路的的可编程程问题，对于时时序电路路，需要另另外加上上锁存器器，触发器器来构成成，如PAAL加上上输出寄寄存器，就可实实现时序序电路可可编程。 2、第二阶阶段:乘乘积项可可编程结结构PLLD发展展与成熟熟阶段 二十世纪八八十年代代初，Lattticce(莱莱迪思)公司开开始研究究一种新新的乘积积项可编编程结构构PLDD。19885年，推出了了一种在在PALL基础上上改进的的GALL(Geenerric Arrray Loggic)器件。GALL器件首首次在PPLD上上采用EEEPRROM工工艺，能够电电擦除重重复编程程，使得修修改电路路不需更更换硬件件，可以灵

6、灵活方便便地应用用，乃至更更新换代代。 在编程结构构上，GALL沿用了了PALL或阵列列固定与与阵列可可编程结结构，而对PPAL的的输出II/O结结构进行行了改进进，增加了了输出逻逻辑宏单单元OLLMC(outtputt Loggic Maccro Celll)，OLMMC设有有多种组组态，使得每每个I/O引脚脚可配置置成专用用组合输输出，组合输输出双向向口，寄存器器输出，寄存器器输出双双向口，专用输输入等多多种功能能，为电路路设计提提供了极极大的灵灵活性。同时，也解决决了PAAL器件件一种输输出I/O结构构方式就就有一种种器件的的问题，具有通通用性。而且GGAL器器件是在在PALL器件基基础

7、上设设计的，与许多多PALL器件是是兼容的的，一种GGAL器器件可以以替换多多种PAAL器件件，因此，GALL器件得得到了广广泛的应应用。目前，GALL器件主主要应用用在中小小规模可可编程电电路，而且，GALL器件也也加上了了ISPP功能，称isspGAAL器件件。 二十世纪八八十年代代中期，ALTTERAA公司推推出了EEPLDD(Errasaablee PLDD)器件件，EPLLD器件件比GAAL器件件有更高高的集成成度，采用EEPROOM工艺艺或EEEPROOM工艺艺，可用紫紫外线或或电擦除除，适用于于较大规规模的可可编程电电路，也获得得了广泛泛的应用用。 3、第三阶阶段:复复杂可编编程

8、器件件发展与与成熟阶阶段 二十世纪八八十年代代中期，Xillinxx公司提提出了现现场可编编程(FFielld Proograammaabillityy)的概概念，并生产产出世界界上第一一片FPPGA器器件，FPGGA是现现场可编编程门阵阵列(FFielld Proograammaablee Gatte Arrray)的英文文缩写，现在已已经成了了大规模模可编程程逻辑器器件中一一大类器器件的总总称。FPGGA器件件一般采采用SRRAM工工艺，编程结结构为可可编程的的查找表表(Loook-UpTTablle，LUTT)结构构。FPGGA器件件的特点点是电路路规模大大，配置灵灵活，但SRRAM需需

9、掉电保保护，或开机机后重新新配置。 二十世纪八八十年代代末，Lattticce公司司提出了了在系统统可编程程(Inn-Syysteem Proograammaabillityy，ISPP)的概概念，并推出出了一系系列具有有ISPP功能的的CPLLD器件件，将PLLD的发发展推向向了一个个新的发发展时期期。CPLLD即复复杂可编编程逻辑辑器件(Commpleex Proograammaablee Loggic Devvicee)的英英文缩写写，Lattticce公司司推出CCPLDD器件开开创了PPLD发发展的新新纪元，也即复复杂可编编程逻辑辑器件的的快速推推广与应应用。CPLLD器件件采用EE

10、EPRROM工工艺，编程结结构在GGAL器器件基础础上进行行了扩展展和改进进，使得PPLD更更加灵活活，应用更更加广泛泛。 复杂可编程程逻辑器器件现在在有FPPGA和和CPLLD两种种主要结结构，进入二二十世纪纪九十年年代后，两种结结构都得得到了飞飞速发展展，尤其是是FPGGA器件件现在已已超过CCPLDD，走入成成熟期，因其规规模大，拓展了了PLDD的应用用领域。目前，器件的的可编程程逻辑门门数已达达上千万万门以上上，可以内内嵌许多多种复杂杂的功能能模块，如CPPU核，DSPP核，PLLL(锁相相环)等等，可以实实现单片片可编程程系统(Sysstemm on Proograammaablee

11、 Chiip，SoPPC)。 拓展了的在在系统可可编程性性(isspXPP)，是Laattiice公公司集中中了E22PROOM和SSRAMM工艺的的最佳特特性而推推出的一一种新的的可编程程技术。isppXP兼兼收并蓄蓄了E22PROOM的非非易失单单元和SSRAMM的工艺艺技术，从而在在单个芯芯片上同同时实现现了瞬时时上电和和无限可可重构性性。isppXP器器件上分分布的EE2PRROM阵阵列储存存着器件件的组态态信息。在器件件上电时时，这些信信息以并并行的方方式被传传递到用用于控制制器件工工作的SSRAMM位。新的iispXXFPGGATMMFPGGA系列列与isspXPPLDTTMCPP

12、LD系系列均采采用了iispXXP技术术。 二、可编程程器件的的发展趋趋势可编程器件件在近220 年年的时间间里已经经得到了了巨大的的发展，在未来来的发展展中，将呈现现以下几几个方面面的趋势势:(1) 向向大规模模、高集集成度方方向进一一步发展展当前，PLDD 的规规模已经经达到了了百万门门级，在工艺艺上，芯片的的最小线线宽达到到了0.13 m ，并且还还会向着着大规模模、高集集成度方方向进一一步发展展。(2) 向向低电压压、低功功耗的方方向发展展PLDD 的内内核电压压在不断断的降低低，经历55 V 3. 3 V 2. 5 V 1.8 VV 的演演变，未来将将会更低低。工作作电压的的降低使使

13、得芯片片的功耗耗也大大大减少，这样就就适应了了一些低低功耗场场合的应应用，比如移移动通信信设备、个个人数字字助理等等。(3) 向向高速可可预测延延时方向向发展由由于在一一些高速速处理的的系统中中，数据处处理量的的激增要要求数字字系统有有大的数数据吞吐吐速率，比如对对图像信信号的处处理，这样就就对PLLD 的的速度指指标提出出了更高高的要求求;另外，为了保保证高速速系统的的稳定性性，延时也也是十分分重要的的。用户户在进行行系统重重构的同同时，担心的的是延时时特性会会不会因因重新布布线的改改变而改改变，如果改改变，将会导导致系统统性能的的不稳定定性，这对庞庞大而高高速的系系统而言言将是不不可想象象

14、的，带来的的损失也也是巨大大的。因因此，为了适适应未来来复杂高高速电子子系统的的要求，PLDD 的高高速可预预测延时时也是一一个发展展趋势。(4) 向向数摸混混合可编编程方向向发展迄迄今为止止，PLDD 的开开发与应应用的大大部分工工作都集集中在数数字逻辑辑电路上上，在未来来几年里里，这一局局面将会会有所改改变，模拟电电路和数数摸混合合电路的的可编程程技术得得到发展展。目前前的技术术ISPPPACC 可实实现3 种功能能:信号调调整、信信号处理理和信号号转换。信信号调整整主要是是对信号号进行放放大、衰衰减和滤滤波;信号处处理是对对信号进进行求和和、求差差和积分分运算;信号转转换则是是指把数数字

15、信号号转换成成模拟信信号。EEPACC 芯片片集中了了各种模模拟功能能电路，如可编编程增益益放大器器、可编编程比较较器、多多路复用用器、可可编程AA/ DD 转换换器、滤滤波器和和跟踪保保持放大大器等。(5) 向向多功能能、嵌入入式模块块方向发发展现在在，PLDD 内已已经广泛泛嵌入RRAM/ ROOM ， FIIFO 等存储储器模块块，这些嵌嵌入式模模块可以以实现更更快的无无延时的的运算与与操作。特特别是美美国Allt rrea 公司于于20000 年年对可编编程片上上系统(Sysstemm Onn Prrogrrammmablle CChipp ，SOPPC) 的提出出，使得以以FPGGA

16、 为为物理载载体、在在单一的的FPGGA 中中实现包包括嵌入入式处理理器系统统、接口口系统、硬硬件协处处理器或或加速器器系统、DSP 系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统更是成为目前电子技术中的研究热点。三、典型的的器件公公司随着可编程程逻辑器器件应用用的日益益广泛，许许多ICC制造厂厂家涉足足PLDD/FPPGA领领域。目目前世界界上有十十几家生生产CPPLD/FPGGA的公公司，最最大的三三家是：ALTTERAA，XIILINNX，LLattticee，其中中ALTTERAA和XIILINNX占有有了600%以上上的市场场份额。下面介绍绍一下常常见厂家家的常用CCPLDD /FFP

17、GAA。1）Lattticce公司司CPLLD器件件系列Lattiice公公司始建建于19983年年，是最最早推出出PLDD的公司司之一，GGAL器器件是其其成功推推出并得得到广泛泛应用的的PLDD产品。二二十世纪纪八十年年代末，LLattticee公司提提出了在在系统可可编程的的概念，并并首次推推出了CCPLDD器件，其其后，将将ISPP与其拥拥有的先先进的EEECMMOS技技术相结结合，推推出了一一系列具具有ISSP功能能的CPPLD器器件，使使CPLLD器件件的应用用领域又又有了巨巨大的扩扩展。所所谓ISSP技术术，就是是不用从从系统上上取下PPLD芯芯片，就就可进行行编程的的技术。II

18、SP技技术大大大缩短了了新产品品研制周周期，降降低了开开发风险险和成本本。因而而推出后后得到了了广泛的的应用，几几乎成了了CPLLD的标标准。 Lattticce公司司的CPPLD器器件主要要有isspLSSI系列列、isspMAACH系系列。 下面面主要介介绍常用用的isspLSSI/MMACHH系列。ispLSI系列是Lattice公司于二十世纪九十年代以来推出的，集成度1000门至60000门，引脚到引脚之间（Pin TO Pin）延时最小3ns，工作速度可达300MHz，支持ISP和JTAG边界扫描测试功能，适宜于通信设备、计算机、DSP系统和仪器仪表中应用；ispLSI/MACH速度

19、更快，可达400MHz。ispLSI系列主要有六个系列，分别适用于不同场合，前三个系列是基本型，后三个系列是1996年后推出的新产品。（1）ispLSI1000系列ispLSI1000系列又包括ispLSI1000/1000E/EA等品种，属于通用器件，集成度2000门至8000门，引脚到引脚之间的延时不大于7.5ns，集成度较低，速度较慢，但价格便宜，如ispLSI1032E是目前市面上最便宜的CPLD器件之一，因而在一般的数字系统中使用多，如网卡、高速编程器、游戏机、测试仪器仪表中均有应用。ispLSI1000是基本型，ispLSI1000E是ispLSI1000的增强型（Enhanced

20、)。 （2）ispLSI2000系列ispLSI2000系列又包括ispLSI2000/2000A/2000E/2000V/2000VL/2000VE等品种，属于高速型器件，集成度与ispLSI1000系列大体相当，引脚到引脚之间延时最小3ns，适用于速度要求高、需要较多I/O引脚的电路中使用，如移动通信、高速路由器等。（3）ispLSI3000系列ispLSI3000系列是第一个上万门的ispLSI系列产品，采用双GLB，集成度可达2万门，可单片集成系统逻辑、DSP功能及编码压缩电路。适用于集成度要求较高的场合。以上系列工作电压为5V，引脚输入/输出电压为5V。（4）ispLSI5000系列

21、ispLSI5000系列又包括ispLSI5000V/5000VA等品种，其整体结构与ispLSI3000系列相类似，但GLB和宏单元结构有了大的差异，属于多I/O口宽乘积项型器件，集成度10000门至25000门，引脚到引脚之间的延时大约5ns，集成度较高，工作速度可达200MHz，适用于宽总线（32位或64位）的数字系统中使用，如快速计数器、状态机和地址译码器等。ispLSI5000V系列工作电压3.3V，但其引脚能够兼容5V、3.3V、2.5V等多种电压标准。（5）ispLSI6000系列ispLSI6000系列的GLB与ispLSI3000系列相同，但整体结构中包含了FIFO或RAM功

22、能，是FIFO或RAM存储模块与可编程逻辑相结合的产物，集成度可达25000门。（6）ispLSI8000系列ispLSI8000系列又包括ispLSI8000/8000V等品种，是在ispLSI5000V系列的基础上，更新整体结构而来的，属于高密度型器件，集成度可达60000门，引脚到引脚之间的延时大约5ns，集成度最高，工作速度可达200MHz，适用于较复杂的数字系统中应用。如外围控制器、运算协处理器等。（7）ispMACH4000系列ispMACH4000系列又包括ispLSI4000/4000B/4000C/4000V/4000Z等品种，主要是供电电压不同，ispMACH4000V、i

23、spMACH4000B 和 ispMACH4000C器件系列供电电压分别为3.3V、2.5V 和 1.8V，莱迪思公司还基于ispMACH4000的器件结构开发出了业界最低静态功耗的 CPLD 系列ispMACH4000Z。ispMACH 4000 系列产品提供 SuperFAST （400MHz，超快）的 CPLD 解决方案。ispMACH 4000V 和 ispMACH 4000Z 均支持车用温度范围：-40 至 130C （Tj） 。ispMACH 4000 系列支持介于 3.3V 和 1.8V 之间的 I/O 标准，既有业界领先的速度性能，又能提供最低的动态功耗。ispMACH 400

24、0V/B/C 系列器件的宏单元个数从 32 到 512 不等，ispMACH 4000Z 的宏单元数为 32 到 256。ispMACH 系列提供 44 到 256 引脚/球、具有多种密度 I/O 组合的 TQFP、fpBGA 和 caBGA 封装。（8）ispLSI5000VE/ispMACH5000系列ispLSI5000VE是后来设计的新产品, Lattice公司推荐用于替代ispLSI3000/5000V/5000VA。ispLSI5000VE整体结构与ispLSI3000系列相类，但GLB和宏单元结构有了大的差异，属于多I/O口宽乘积项型器件，引脚到引脚之间延时大约5ns，集成度最大

25、1024个宏单元，工作速度可达180MHz，适用于宽总线（32位或64位）的数字系统中使用，如快速计数器、状态机和地址译码器等。ispMACH 5000B系列速度更快，可达275MHz，集成度最大512个宏单元。ispLSI/ispMACH 5000 系列器件的可编程结构为各种复杂的逻辑应用系统提供了业界领先的系统性能。器件的每个逻辑块拥有 68 个输入，可以在单级逻辑上轻松实现包括 64 位应用系统的复杂逻辑功能，而用传统的 CPLD 器件却需要两层或更多的逻辑层才能实现相同的功能，因为它们的逻辑块输入只相当于 ispLSI/ispMACH 5000 器件的一半。所以，对于需要 36 个以上

26、的输入的“宽”逻辑功能，ispLSI/ispMACH 5000 的性能表现比传统的 CPLD 器件结构高出 60%。 （9）ispXPLDTM 5000MX 系列ispXPLD5000MX系列包括ispXPLDTM5000MB/5000MC/5000MV等品种。ispXPLDTM 5000MX 系列代表了莱迪思半导体公司全新的 XPLD（eXpanded Programmable Logic Devices）器件系列。这类器件采用了新的构建模块多功能块（MFB: Multi-Function Block）。这些 MFB 可以根据用户的应用需要，被分别配置成 SuperWIDETM 超宽（136

27、个输入）逻辑、单口或双口存储器、先入先出堆栈或 CAM。ispXPLD 5000MX 器件将 PLD 出色的灵活性与 sysIOTM 接口结合了起来，能够支持 LVDS、HSTL 和 SSTL 等最先进的接口标准，以及比较熟悉的 LVCMOS 标准。sysCLOCKTM PLL 电路简化了时钟管理。ispXPLD 5000MX 器件采用了拓展了的在系统编程技术，也就是 ispXP 技术，因而具有非易失性和无限可重构性。编程可以通过 IEEE 1532 业界标准接口进行，配置可以通过莱迪思的 sysCONFIGTM 微处理器接口进行。该系列器件有 3.3、2.5 和 1.8 伏供电电压的产品可供

28、选择（对应MV、MB和MC系列），最大规模1024个宏单元，最快300MHz。ispLSI/MACH器件都采用EECMOS和EEPROM工艺结构，能够重复编程万次以上，内部带有升压电路，可在5V、3.3V逻辑电平下编程，编程电压和逻辑电压可保持一致，给使用带来很大方便。具有保密功能，可防止非法拷贝。具有短路保护功能，能够防止内部电路自锁和SCR自锁。推出后，受到了极大的欢迎，曾经代表了CPLD的最高水平,但现在Lattice公司推出了新一代的扩展在系统可编程技术(ispX),在新设计中推荐采用ispMACH系列产品和ispLSI5000VE,全力打造ispXPLD器件,并推出采用扩展在系统可编

29、程技术的ispXPGA系列FPGA器件,改变了只生产CPLD的状况。 2）Xilinx公司的CPLD器件系列 Xilinx公司以其提出现场可编程的概念和1985年生产出世界上首片FPGA而著名，但其CPLD产品也很不错。Xilinx公司的CPLD器件系列主要有XC7200系列、XC7300系列、XC9500系列。下面主要介绍常用的XC9500系列。XC9500系列有XC9500/9500XV/9500XL等品种，主要是芯核电压不同，分别为5V/2.5V/3.3V。XC9500系列采用快闪（FASTFlash）存储技术，能够重复编程万次以上，比ultraMOS工艺速度更快，功耗更低，引脚到引脚之

30、间的延时最小4ns，宏单元数可达288个（6400门），系统时钟200MHz，支持PCI总线规范，支持ISP和JTAG边界扫描测试功能。该系列器件的最大特点是引脚作为输入可以接受3.3V/2.5V/1.8V/1.5V等多种电压标准，作为输出可配置成3.3V/2.5V/1.8V等多种电压标准，工作电压低，适应范围广，功耗低，编程内容可保持20年。 3）ALTERA公司的CPLD器件系列ALTERA公司是著名的PLD生产厂家，它既不是FPGA的首创者，也不是CPLD的开拓者，但在这两个领域都有非常强的实力，多年来一直占据行业领先地位。其CPLD器件系列主要有FLASHlogic系列、Classic

31、系列和MAX（Multiple Array Matrix）、MAX系列。下面主要介绍常用的MAX系列。 MAX系列包括MAX3000/5000/7000/9000等品种，集成度在几百门至数万门之间，采用EPROM和EEPROM工艺，所有MAX7000/9000系列器件都支持ISP和JTAG边界扫描测试功能。MAX7000宏单元数可达256个（12000门），价格便宜，使用方便。E、S系列工作电压为5V，A、AE系列工作电压为3.3V混合电压,B系列为2.5V混合电压。MAX9000系列是MAX7000的有效宏单元和FLEX8000的高性能、可预测快速通道互连相结合的产物，具有6000-1200

32、0个可用门（12000-24000个有效门）。MAX系列的最大特点是采用EEPROM工艺，编程电压与逻辑电压一致，编程界面与FPGA统一，简单方便，在低端应用领域有优势。 4）Xilinx公司的FPGA器件系列Xilinx公司是最早推出FPGA器件的公司，1985年首次推出FPGA器件，现有XC2000/3000/3100/4000/5000/6200/8100、Virtex、Spartan、Virtex Pro等系列FPGA产品。下面主要介绍常用的Virtex系列和Spartan 系列。（1）Virtex器件系列FPGAVirtex器件系列FPGA是高速、高密度的FPGA，采用0.22um、

33、5层金属布线的CMOS工艺制造，最高时钟频率200MHz，集成度在5万门至100万门之间，工作电压2.5V。（2）Virtex E和Virtex Pro器件系列FPGAVirtex E器件系列FPGA是在Virtex 器件基础上改进的，采用0.18um、6层金属布线的CMOS工艺制造，时钟频率高于200MHz，集成度在5.8万门至400万门之间，工作电压1.8V。该系列的主要特点是：内部结构灵活，内置时钟管理电路，支持3级存储结构；采用Select I/O技术，支持20种接口标准和多种接口电压，支持ISC（）和JTAG边界扫描测试功能；采用Select RAM存储体系，内嵌1MBIT的分成式R

34、AM和最高832KBIT的快状RAM，存储器带宽1.66TBps。2001年，Xilinx公司推出了集成度更高（可达1000万系统门级），时钟管理更先进的Virtex II Pro等系列FPGA产品。可以说Virtex系列产品代表了Xilinx公司在FPGA领域的最高水平。（3）Spartan 器件系列FPGASpartan器件系列FPGA是在Virtex器件结构的基础上发展起来的，采用0.22um/0.18um、6层金属布线的CMOS工艺制造，最高时钟频率200M，集成度可达15万门，工作电压2.5V。 5）ALTERA公司的FPGA器件系列 ALTERA公司的FPGA器件系列产品按推出的先

35、后顺序有FLEX（Flexible Logic Element Matrix）系列、APEX（Advanced Logic Element Matrix）系列、ACEX（Advanced Communication Logic Element Matrix）系列和Stratix系列。（1）FLEX器件系列FPGAFLEX器件系列FPGA是ALTERA公司为DSP应用设计最早推出的FPGA器件系列，包括FLEX 10K/10A/10KE/8000/6000等品种，采用连续式互连和SRAM工艺制造，集成度可达25万门，内部结构灵活，内嵌存储块，能够实现较复杂的逻辑功能，但其速度不快，是目前在较低端领域的一种不错的选择。（2）APEX和AP