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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。PL D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、可编程器件的发展历史
1、第一阶段:PLD诞生及简单PLD发展阶段
二十世纪七十年代，熔丝编程的PROM(Programmable Read Only Memory)和
PLA(Programmable Logic Array)的出现，标志着PLD的诞生。可编程逻辑器件最
早是根据数字电子系统组成基本单元-门 电路可编程来实现的，任何组合电路都可
用与门和或门组成，时序电路可用组合电路加上存储单元来实现 。早期PLD就是用
可编程的与阵列和(或)可编程的或阵列组成的。
PROM是采用固定的与阵列和可编程的或阵列组成的PLD，由于输入变量的增加
会引起存储 容量的急剧上升，只能用于简单组合电路的编程。PLA是由可编程的与
阵列和可编程的或阵列组成的， 克服了PROM随着输入变量的增加规模迅速增加的
问题，利用率高，但由于与阵列和或阵列都可编程， 软件算法复杂，编程后器件运
行速度慢，只能在小规模逻辑电路上应用。现在这两种器件在EDA上已不 再采用，
但PROM作为存储器，PLA作为全定制ASIC设计技术，还在应用。
二十世纪七十年代末，AMD公司对PLA进行了改进，推出了PAL(Programmable
Array Logic)器件，PAL与PLA相似，也由与阵列和或阵列组成，但在编程接点上与PAL不同，而与PROM相似，或阵列是固定的，只有与阵列可编程。或阵列固定
与阵列可编程 结构，简化了编程算法，运行速度也提高了，适用于中小规模可编程
电路。但PAL为适应不同应用的需 要，输出IO结构也要跟着变化，输出IO结构
很多，而一种输出IO结构方式就有一种PAL器件，给 生产，使用带来不便。且PAL
器件一般采用熔丝工艺生产，一次可编程，修改电路需要更换整个PAL 器件，成本
太高。现在，PAL已被GAL所取代。
以上可编程器件，都是乘积项可编程结 构，都只解决了组合逻辑电路的可编程
问题，对于时序电路，需要另外加上锁存器，触发器来构成，如P AL加上输出寄存
器，就可实现时序电路可编程。

2、第二阶段:乘积项可编程结构PLD发展与成熟阶段
二十世纪八十年代初，Latti ce(莱迪思)公司开始研究一种新的乘积项可编程
结构PLD。1985年，推出了一种在PAL基础 上改进的GAL(Generic Array Logic)
器件。GAL器件首次在PLD上采用E EPROM工艺，能够电擦除重复编程，使得修改电
路不需更换硬件，可以灵活方便地应用，乃至更新换 代。
在编程结构上，GAL沿用了PAL或阵列固定与阵列可编程结构，而对PAL的输
出 IO结构进行了改进，增加了输出逻辑宏单元OLMC(output Logic Macro Cell)，
OLMC设有多种组态，使得每个IO引脚可配置成专用组合输出，组合输出双向口，

< br>寄存器输出，寄存器输出双向口，专用输入等多种功能，为电路设计提供了极大的
灵活性。同时， 也解决了PAL器件一种输出IO结构方式就有一种器件的问题，具
有通用性。而且GAL器件是在PA L器件基础上设计的，与许多PAL器件是兼容的，
一种GAL器件可以替换多种PAL器件，因此，G AL器件得到了广泛的应用。目前，
GAL器件主要应用在中小规模可编程电路，而且，GAL器件也加 上了ISP功能，称
ispGAL器件。
二十世纪八十年代中期，ALTERA公司推出了EPLD(Erasable PLD)器件，EPL D
器件比GAL器件有更高的集成度，采用EPROM工艺或EEPROM工艺，可用紫外线或
电擦除，适用于较大规模的可编程电路，也获得了广泛的应用。
3、第三阶段:复杂可编程器件发展与成熟阶段
二十世纪八十年代中期，Xilinx公司提出了现场可编程(Field
Programm ability)的概念，并生产出世界上第一片FPGA器件，FPGA是现场可编程
门阵列(Fie ld Programmable Gate Array)的英文缩写，现在已经成了大规模可编
程逻 辑器件中一大类器件的总称。FPGA器件一般采用SRAM工艺，编程结构为可编
程的查找表(Loo k-UpTable，LUT)结构。FPGA器件的特点是电路规模大，配置灵活，
但SRAM需掉电 保护，或开机后重新配置。
二十世纪八十年代末，Lattice公司提出了在系统可编程(In- System
Programmability，ISP)的概念，并推出了一系列具有ISP功能的 CPLD器件，将PLD
的发展推向了一个新的发展时期。CPLD即复杂可编程逻辑器件(Compl ex
Programmable Logic Device)的英文缩写，Lattice公司推出 CPLD器件开创了PLD
发展的新纪元，也即复杂可编程逻辑器件的快速推广与应用。CPLD器件采 用EEPROM
工艺，编程结构在GAL器件基础上进行了扩展和改进，使得PLD更加灵活，应用更< br>加广泛。
复杂可编程逻辑器件现在有FPGA和CPLD两种主要结构，进入二十世纪九十年
代后，两种结构都得到了飞速发展，尤其是FPGA器件现在已超过CPLD，走入成熟
期，因 其规模大，拓展了PLD的应用领域。目前，器件的可编程逻辑门数已达上千
万门以上，可以内嵌许多种 复杂的功能模块，如CPU核，DSP核，PLL(锁相环)等，
可以实现单片可编程系统(Syste m on Programmable Chip，SoPC)。
拓展了的在系统可编程性(isp XP)，是Lattice公司集中了E2PROM和SRAM工
艺的最佳特性而推出的一种新的可编程 技术。ispXP兼收并蓄了E2PROM的非易失单
元和SRAM的工艺技术，从而在单个芯片上同时 实现了瞬时上电和无限可重构性。
ispXP器件上分布的E2PROM阵列储存着器件的组态信息。在 器件上电时，这些信息
以并行的方式被传递到用于控制器件工作的SRAM位。新的ispXFPGAT MFPGA系列与
ispXPLDTMCPLD系列均采用了ispXP技术。
二、可编程器件的发展趋势
可编程器件在近20 年的时间里已经得到了巨大的发展，在未来的发展中，将呈现
以下几个方面的趋势:
(1) 向大规模、高集成度方向进一步发展当前，PLD 的规模已经达到了百万门级，
在工艺上，芯片的最小线宽达到了0.13 μm ，并且还会向着大规模、高集成度方向进一
步发展。
(2) 向低电压、低功耗的方向发展PLD 的内核电压在不断的降低，经历5 V →3. 3
V →2. 5 V →1.8 V 的演变，未来将会更低。工作电压的降低使得芯片的功耗也大大减
少，这样就适 应了一些低功耗场合的应用，比如移动通信设备、个人数字助理等。

(3) 向高速可 预测延时方向发展由于在一些高速处理的系统中，数据处理量的激增
要求数字系统有大的数据吞吐速率， 比如对图像信号的处理，这样就对PLD 的速度指标
提出了更高的要求;另外，为了保证高速系统的稳 定性，延时也是十分重要的。用户在进
行系统重构的同时，担心的是延时特性会不会因重新布线的改变而 改变，如果改变，将
会导致系统性能的不稳定性，这对庞大而高速的系统而言将是不可想象的，带来的损 失
也是巨大的。因此，为了适应未来复杂高速电子系统的要求，PLD 的高速可预测延时也
是一个发展趋势。
(4) 向数摸混合可编程方向发展迄今为止，PLD 的开发与应用的大部分工作都集中
在数字逻辑电路上，在未来几年里，这一局面将会有所改变，模拟电路 和数摸混合电路
的可编程技术得到发展。目前的技术ISPPAC 可实现3 种功能:信号调整、信号 处理和信
号转换。信号调整主要是对信号进行放大、衰减和滤波;信号处理是对信号进行求和、求
差和积分运算;信号转换则是指把数字信号转换成模拟信号。EPAC 芯片集中了各种模拟
功能电路，如可编程增益放大器、可编程比较器、多路复用器、可编程A D 转换器、滤
波器和跟踪保持放大器等。
(5) 向多功能、嵌入式模块方向发展现在，PLD 内已经广泛嵌入RAM ROM ， FIFO 等
存储器模块，这些嵌入式模块可以实现更快的无延时的运算与操作。特别是美国Alt rea
公司于2000 年对可编程片上系统(System On Programmable Chip ，SOPC) 的提出，使
得以FPGA 为物理载体、在单一的FPGA 中实现包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件
协处理器或加速器系统、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、典型的器件公司
随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多IC制造厂家涉足PLDFP GA
领域。目前世界上有十几家生产CPLDFPGA的公司，最大的三家是：
ALTERA， XILINX，Lattice，其中ALTERA和XILINX占有了60%以上的
市场份额。下面 介绍一下常见厂家的常用CPLD FPGA。
1）Lattice公司CPLD器件系列
Lattice公司始建于1983年，是最早推出PLD的公司之一，GAL器件是其成功推出
并得到 广泛应用的PLD产品。二十世纪八十年代末，Lattice公司提出了在系统可编程的
概念，并首次 推出了CPLD器件，其后，将ISP与其拥有的先进的EECMOS技术相结合，
推出了一系列具有I SP功能的CPLD器件，使CPLD器件的应用领域又有了巨大的扩展。
所谓ISP技术，就是不用从 系统上取下PLD芯片，就可进行编程的技术。ISP技术大大缩
短了新产品研制周期，降低了开发风险 和成本。因而推出后得到了广泛的应用，几乎成
了CPLD的标准。
Lattice公司的CPLD器件主要有ispLSI系列、ispMACH系列。
下面主要介绍常用的ispLSIMACH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；
ispLSIMACH速度更快，可达400MHz。isp LSI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ispL SI10001000EEA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ispLSI103 2E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isp LSI1000的增强型（Enhanced)。
（2）ispLSI2000系列
is pLSI2000系列又包括ispLSI20002000A2000E2000V2000VL2000VE 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3n s，
适用于速度要求高、需要较多IO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
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IO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RA M
功能，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ispLSI80008 000V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200MH z，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ispLSI400 04000B4000C4000V4000Z等品种，主要是供
电电压不同，ispMACH4000 V、ispMACH4000B 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 130°C （Tj） 。ispMACH 4000 系列支持介于 3.3V 和 1.8V 之间的 IO 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 4000VBC 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 IO 组合的 TQFP、fpBGA 和 caBGA 封装。
（8）ispLSI5000VEispMACH5000系列
ispLSI5000VE是后来设计的新产品, Lattice公司推荐用于替代
ispLSI30005000V5000VA。

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IO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。ispLSIispMACH 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
ispLSIispMACH 5000 器件的一半。所以，对于需要 36 个以上的输入的“宽”逻辑功
能，ispLSIispMACH 5000 的性能表现比传统的 CPLD 器件结构高出 60%。
（9）ispXPLDTM 5000MX 系列
i spXPLD5000MX系列包括ispXPLDTM5000MB5000MC5000MV等品种。isp XPLDTM
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
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
供选择（对应M V、MB和MC系列），最大规模1024个宏单元，最快300MHz。ispLSIMACH
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(isp X),在新设计中推荐采用ispMACH系列产品和
ispLSI5000VE,全力打造ispXP LD器件,并推出采用扩展在系统可编程技术的ispXPGA系
列FPGA器件,改变了只生产CPL D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CP LD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
XC9500950 0XV9500XL等品种，主要是芯核电压不同，分别为5V2.5V3.3V。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，引脚到引脚之间的延时最小4ns，宏单元数可达288个（6400门），
系统时钟200 MHz，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3.3V2.5V1.8V1.5V等多种电压标准，作为输出
可配置成3.3V2. 5V1.8V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系 列和MAX（Multiple Array Matrix）、MAXⅡ系
列。
下面主要介绍常用的MAX系列。
MAX系列包括MAX3000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MAX700090 00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（12 000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FLEX80 00的高性能、可预测快速通道互连相结
合的产物，具有6000--12000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
XC2100、Virtex、Spartan、V irtex Ⅱ Pro等系列FPGA
产品。下面主要介绍常用的Virtex系列和Spartan Ⅱ系列。
（1）Virtex器件系列FPGA
Virtex器件系列FPGA是高速、高 密度的FPGA，采用0.22um、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 Ⅱ Pro器件系列FPGA
Virtex 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 IO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RAM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 Ⅱ器件系列FPGA
SpartanⅡ器件系列F PGA是在Virtex器件结构的基础上发展起来的，采用
0.22um0.18um、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FPGA < br>FLEX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 10K10A10KE80006000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APEX II器件系列FPGA
AP EX器件系列FPGA采用多核结构，是为系统级设计而推出的FPGA器件系列，包括
APEX20K 20KE等品种，采用先进的SRAM工艺制造，集成度在数万门到数百万门之间。
2001年，ALTERA公司推出了在APEX器件基础上改进的APEX II器件系列FPGA， 采
用更先进的0.15um全铜工艺制造（以前采用的是铝互连工艺），且IO结构进行了很大