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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ProgrammableLogicDevice,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(ProgrammableReadOnlyMemory)和PLA(ProgrammableLogicArray)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(ProgrammableArrayLogic)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I/O结构也要跟着变化,输出I/O结构很多,而一种输出I/O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PAL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,Lattice(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(GenericArrayLogic)器件。GAL器件首次在PLD上采用EEPROM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I/O结构进行了改进,增加了输出逻辑宏单元OLMC(outputLogicMacroCell),OLMC设有多种组态,使得每个I/O引脚可配置成专用组合输出,组合输出双向口,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I/O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PAL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,GAL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(ErasablePLD)器件,EPLD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(FieldProgrammability)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(FieldProgrammableGateArray)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(Look-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-SystemProgrammability,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(ComplexProgrammableLogicDevice)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(SystemonProgrammableChip,SoPC)。拓展了的在系统可编程性(ispXP),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ispXFPGATMFPGA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0.13μm,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5V→3.3V→2.5V→1.8V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Altrea公司于2000年对可编程片上系统(SystemOnProgrammableChip,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PLD/FPGA领域。目前世界上有十几家生产CPLD/FPGA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ISP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ispLSI/MACH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(PinTOPin)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)。(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
本文标题:可编程器件的发展现状及典型公司器件的特点
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