1.10 FPGA/CPLD产品概述

本节将概述常用的FPGA和CPLD器件系列及其基本特性，以及FPGA的配置器件。

1.10.1 Lattice公司的PLD器件

Lattice是最早推出PLD的公司。Lattice公司的CPLD产品主要有ispLSI、ispMACH等系列。20世纪90年代以来，Lattice发明了ISP（In-System Programmability）下载方式，并将电可擦写存储器技术与ISP相结合，使CPLD的应用领域有了巨大的扩展。

（1）ispLSI系列器件

ispLSI系列器件是Lattice公司于20世纪90年初推出的大规模可编程逻辑器件，集成度在1000～60000门之间，Pin-to-Pin（引脚到引脚）延时最小可达3ns。ispLSI器件支持在系统编程和JTAG边界扫描测试功能。

（2）MACHXO系列

MachXO系列非易失性无限重构可编程逻辑器件是为传统上用CPLD或低密度的FPGA实现的应用而设计的。MachXO系列器件将SRAM和闪存配置存储器组合在同一个器件中。SRAM存储单元是通过控制MachXO可编程逻辑器件的逻辑进行工作的，闪存用来存储配置数据。宽的数据路径连接着两个存储器。上电时，通过宽总线从片上闪存将配置载入SRAM，电源稳定后，不到1ms的时间即可使用正常逻辑。

（3）MACH4000系列

ispMACH 4000系列CPLD器件有3.3V、2.5V和1.8V三种供电电压，分别属于ispMACH 4000V、ispMACH 4000B和ispMACH 4000C器件系列。ispMACH4000C、ispMACH4000V和ispMACH4000B均支持军用温度范围。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，又能提供很低的动态功耗。

（4）LatticeSC FPGA系列

LatticeSC/M（系统芯片/MACO）FPGA系列是Lattice的高性能FPGA系列，它集成了一个高性能的FPGA结构，其中包括：3.8Gbps SERDES和PCS，2Gbps并行I/O，低功耗的1V Vcc功能选择，大型的嵌入式RAM，以及嵌入式ASIC块。

（5）LatticeECP3 FPGA系列

ECP系列器件是Lattice的FPGA系列，使用0.13μm工艺制造，提供低成本的FPGA解决方案。在ECP系列器件中还嵌入了DSP模块。

1.10.2 Xilinx公司的PLD器件

Xilinx在1985年首次推出了FPGA，随后不断推出新的集成度更高、速度更快、价格更低、功耗更小的FPGA器件系列。Xilinx以CoolRunner、XC9500XL系列为代表的CPLD，以及以Spartan、Virtex系列为代表的FPGA器件，如Spartan-3A和Spartan-6、Virtex-5、Virtex-6等系列的性能不断提高。

EasyPath系列是Xilinx的结构化ASIC产品，其中的EasyPath-6 FPGA 为高性能FPGA，实现了产品的低成本。在设计用户系统时，可以先用Virtex-6 FPGA 验证，此后无须其他工程即可在6周内为生产提供成本更低的器件。

（1）Virtex-6系列FPGA

Virtex-6系列是Xilinx的高性能FPGA系列，采用40nm工艺制造，分为四个面向特定应用领域而优化的FPGA平台架构，它们分别是：Virtex-6 LXT FPGA，面向具有低功耗串行连接功能的高性能逻辑和DSP开发；Virtex-6 SXT FPGA，面向具有低功耗串行连接功能的超高性能DSP开发；Virtex-6 HXT FPGA，该系列针对需要带宽最高的串行连接功能的通信、交换和成像系统进行了优化设计；Virtex-6 CXT FPGA，面向那些需要3.75Gbps串行连接功能和相应的逻辑性能的应用。Virtex-6 LXT FPGA系列有74500～758800个逻辑宏单元，采用6输入查找表（LUT）；其LUT可以配置成逻辑单元、分布式RAM（64位/LUT或256位/CLB）或移位寄存器。此系列使第二代对角对称互连实现了最短、最快的布线。

（2）Spartan-6器件系列

Spartan-6 FPGA为Xilinx的低成本、低功耗FPGA。第六代Spartan系列基于低功耗45nm、9-金属铜层、双栅极氧化层工艺技术，高级功耗管理技术；此系列含最多150000个逻辑单元、集成式PCI Express®模块、高级存储器支持、250MHz DSP slice和3.125Gbps低功耗收发器。

（3）XC9500/XC9500XL系列CPLD

XC9500系列被广泛地应用于通信、网络和计算机等产品中。该系列器件采用快闪存储技术（FastFlash），比EECMOS工艺的速度更快，功耗更低。目前，Xilinx 公司XC9500系列CPLD的tPD可达到4ns，宏单元数达到288个，系统时钟可达到200MHz。XC9500器件支持PCI总线规范和JTAG边界扫描测试功能，具有在系统可编程能力。该系列有XC9500、XC9500XV和XC9500XL三种类型，内核电压分别为5V、2.5V和3.3V。

（4）Xilinx Spartan-3A系列器件

Spartan®-3A系列FPGA是Xilinx的低成本FPGA系列，具有50000～3400000个系统门，有108～502个I/O，可以提供集成式DSP MAC在内的大量选项，有双功耗管理模式、Device DNA安全性、多级存储器架构。

1.10.3 Altera公司的PLD器件

Altera是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点，此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等。因此Altera的产品获得了广泛的应用。

Altera的产品有多个系列，按照推出的先后顺序依次有Classic、MAX（Multiple Array Matrix）、FLEX（Flexible Logic Element Matrix）、APEX（Advanced Logic Element Matrix）、ACEX、APEX Ⅱ、Cyclone 1/2/3/4/5、MAX Ⅱ以及Stratix1/2/3/4/6等系列。

（1）Stratix 4/6 系列FPGA

Stratix-4系列FPGA器件是Altera的高性能FPGA系列，采用TSMC 40nm工艺制造。最大的一款具有8200000个逻辑宏单元、23.1 Mbits嵌入式存储器和1288个18×18嵌入式硬件乘法器。具有2个速率等级优势，以及先进的逻辑和布线体系结构。具有8.5Gbps的48个高速收发器，或者达到24个为100G应用优化的11.3Gbps收发器，以及1067Mbps（533MHz）DDR3存储器接口。

在Stratix-6中含有PCI Express硬核IP：Gen1（2.5 Gbps）和Gen2（5.0 Gbps），4个×8模块，实现了全端点或者根端口功能。Stratix Ⅳ GX系列FPGA在PCI Express Gen1和Gen2（×1、×4和×8）上完全符合PCI-SIG要求。

（2）Cyclone 4/5系列FPGA

Cyclone-4系列FPGA是Altera新近推出的低成本FPGA系列，60nm工艺，该系列实现了低功耗、高性能和低成本的综合，适用于多种通用逻辑应用，可以应用在广播、消费类、工业、无线、固网等领域。最大的一款提供150000个逻辑单元（LE）。Cyclone-4系列采用经过优化的60-nm低功耗工艺，拓展了前一代Cyclone ⅢFPGA的低功耗优势，最新一代器件降低了内核电压，与前一代产品相比，总功耗降低了25%。Cyclone-4的子系列Cyclone ⅣGX FPGA采用了Altera成熟的GX收发器技术，具有8个集成3.125-Gbps收发器，可以开发功耗不到1.5W的PCI Express至千兆位以太网桥接应用。另外，Cyclone-4也支持Nios Ⅱ嵌入式处理器软核，可以面对更复杂的CPU嵌入式解决方案。

最近，Altera还推出了28nm工艺的更高集成度，功耗更低的Cyclone Ⅴ低成本FPGA系列，该系列的最大特点是集成了双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器硬核。

（3）Cyclone和Cyclone Ⅱ系列FPGA

Altera的低成本系列FPGA，平衡了逻辑、存储器、锁相环和高级I/O接口，Cyclone和Cyclone Ⅱ是2002年后逐步推出的FPGA系列，分别采用130和90nm工艺，适合于价格敏感应用。Cyclone/Ⅱ FPGA具有以下特性（Cyclone Ⅲ也继承了以下特性）：

• 新的可编程构架通过设计实现低成本。
• 嵌入式存储资源支持各种存储器应用和数字信号处理（DSP）实施。
• 支持串行、总线和网络接口及各种通信协议。
• 使用PLL管理片内和片外系统时序。
• 支持单端I/O标准和差分I/O技术，支持LVDS信号。
• 含用于DSP的嵌入式乘法器单元。
• 专用外部存储器接口电路用以连接DDR2、DDR和SDR SDRAM以及QDRII SRAM存储器件。
• 最多4个嵌入式PLL，用于片内和片外系统时钟管理。
• 支持单端I/O标准于64位、66MHz PCI和64位、100MHz PCI-X（模式1）协议。
• 对安全敏感应用进行自动CRC检测。
• 具有支持完全定制32位Nios Ⅱ嵌入式处理器。
• 采用EPCS系列串行配置器件的低成本配置解决方案。

（4）Cyclone Ⅲ系列FPGA

在上节已经提到Cyclone 3（Cyclone Ⅲ）系列FPGA的内部结构。该系列具有最多200K逻辑单元（LEs）、8-Mbits存储器，而静态功耗不到1/4W。采用台积电（TSMC）的低功耗（LP）工艺技术进行制造，可以应用于通信设备、消费类产品、汽车、显示、工业、视频和图像处理、无线、软件无线电设备等领域。

Cyclone 3的子系列Cyclone ⅢLS系列利用低功耗、高性能FPGA平台，在硬件、软件和知识产权（IP）层面上实现了一系列安全特性。可以保护设计者的IP不被篡改、逆向剖析和克隆。而且，这些器件还能够通过设计分离特性，在一个芯片中实现多种功能，从而减小了实际应用的体积、重量和功耗。另外，Cyclone 3也支持NiosII嵌入式处理器软核，可以实现复杂的多CPU嵌入式解决方案。

Cyclone 3（65nm工艺）与Cyclone 4（60nm工艺）系列FPGA的功能结构十分相似。

（5）MAX系列CPLD

MAX系列包括MAX7000AE、MAX7000S、MAX3000A等器件系列。这些器件的基本结构单元是乘积项，在工艺上采用EEPROM和EPROM。器件的编程数据可以永久保存，可加密。MAX系列的集成度在数百门到2万门之间。所有MAX系列的器件都具有ISP在系统编程的功能，支持JTAG边界扫描测试。

（7）MAX Ⅱ系列器件

相比于传统的CPLD，这个系列的器件有许多全新的结构特点。此类器件属于上电即用、非易失性的PLD器件系列，用于通用的低密度逻辑应用环境。除了拥有传统CPLD设计成本低的特点外，MAX Ⅱ器件还将成本和功耗优势引入了高密度领域。其特点是使用LUT结构，内含Flash，可以实现自动配置（显然，MAX Ⅱ本质上是一个配置Flash与小规模FPGA合二为一的器件）。和3.3V MAX器件相比，MAX Ⅱ只有其十分之一的功耗，1.8V内核电压以减小功耗，可靠性高。支持内部时钟频率达300MHz，内置用户非易失性Flash存储器块。通过取代分立式非易失性存储器件以减少芯片数量。MAX Ⅱ器件在工作状态时能够下载第二个设计。可降低远程现场升级的成本。有灵活的多电压MultiVolt内核。片内电压调整器支持3.3V、2.5V或1.8V电源输入。可减少电源电压种类，简化单板设计。可以访问JTAG状态机，在逻辑中例化用户功能。可提高单板上不兼容JTAG协议的Flash器件的配置效率。