三、主流廠商FPGA/CPLD器件及開發軟件

（一）主流廠商FPGA/CPLD器件

1. Altera公司的FPGA和CPLD器件

Altera公司是著名的PLD生產廠商，多年來直占據著行業領先的地位。Altera公司的PLD具有高性能、高集成度和高性價比的優點，此外它還提供了功能全面的開發工具和豐富的IP核、宏功能庫等，因此Altera公司的產品獲得了廣泛的應用。Altera公司的產品有多個系列，包括Stratix Ⅱ系列、Stratix系列、Cyclone系列、MAX Ⅱ系列、Classic系列、FLEX系列、APEX系列、ACEX系列等。下面簡要介紹幾種主要系列。

（1）Stratix Ⅱ系列

Stratix Ⅱ系列器件采用TSMC 90nm低絕緣工藝技術，采用了革新性的邏輯結構，基于自適應邏輯模塊（ALM）構建。它將更多的邏輯器件封裝到更小的面積內，具有更快的性能。Stratix Ⅱ中帶有專用算法功能模塊，能高效實現復雜算法。為了支持通信應用，Stratix Ⅱ系列提供了高速信號接口和動態相位調整（DPA）電路，消除外部板子和內部器件的偏移，更易獲得最佳的性能。Stratix Ⅱ系列FPGA支持差分I/O信號電平，包括HyperTransport、LVDS、LVPECL及差分SSTL和HSTI。

Stratix Ⅱ系列還提供了外部存儲器接口，包括DDR2 SDRAM、RLDRAMII和QDR ⅡSRAM，具有充裕的帶寬和I/O引腳支持，具有多種標準168/144腳雙直列存儲模塊（DIMM）接口。

為提高安全性，配置比特流加密技術的128位高級加密標準（AES）密鑰存放在FPGA中，無需備份電池，不占用邏輯資源。Stratix Ⅱ系列器件含有TriMatrix存儲器，三種存儲塊分別為M-RAM、M4K和M512，提供多達9MB的存儲容量，包括用于檢錯的校驗位，性能高達370MHz，混合寬度數據和混合時鐘模式。

Stratix Ⅱ增強數字信號處理（DSP）特點包括：

①更大的DSP帶寬，提供比Stratix器件多四倍的DSP帶寬；

②專用乘法器、流水線和累加電路；

③每個DSP塊支持Q1.15格式新的舍入和飽和；

④最大性能高達370MHz；

⑤時鐘管理電路具有片內鎖相環（PLL）支持器件和板子時鐘管理動態PLL，重配置允許隨時改變PLL參數，備份時鐘切換用于差錯恢復和多時鐘系統；

⑥可以實現片內差分和串行匹配，簡化了電路板設計的復雜性，降低了設計成本；

⑦支持遠程系統升級，用于可靠安全地進行系統升級和差錯修復。專用看門狗電路可確保升級后功能正常。

（2）Stratix系列

該系列采用1.5V內核，0.13μm全銅工藝。芯片由Quartus Ⅱ軟件支持。主要特點如下。

①內嵌三級存儲單元，可配置為采用移位寄存器的512B小容量RAM、4KB容量的標準RAM（M4K）或512KB的大容量RAM（MegaRAM），并自帶奇偶校驗。

②內嵌乘加結構的DSP塊（包括硬件乘法器/累加器和流水線結構），適于高速數字信號處理和各類算法的實現。

③全新的布線結構，分為三種長度的行列布線，在保證延時可預測的同時，提高資源利用率和系統速度。

④增強時鐘管理和鎖相環能力，最多可有40個獨立的系統時鐘管理區和12組鎖相環PLL實現任意倍頻/分頻，且參數可動態配置。

⑤增加片內終端匹配電阻，提高信號完整性，簡化PCB布線。

⑥增強遠程升級能力，增加配置錯誤糾正電路，提高系統可靠性，方便遠程維護升級。

（3）ACEX系列

ACEX是Altera專門為通信（如xDSL調制解調器、路由器等）、音頻處理及其他一些場合的應用而推出的芯片系列。ACEX器件的工作電壓為2.5V，芯片的功耗較低，集成度在3萬門到幾十萬門之間，基于查找表結構。在工藝上采用先進的1.8V/0.18μm、6層金屬連線的SRAM工藝，封裝形式則包括BGA、QFP等。

（4）FLEX系列FPGA

FLEX系列是Altera為DSP設計應用最早推出的FPGA器件系列，包括FLEX10K、FLEXIOKE、FLEX8000和FLEX6000等。器件采用連續式互連和SRAM工藝，可用門數為1～25萬門。FLEX10K器件具有靈活的邏輯結構和嵌入式存儲器塊，能夠實現各種復雜的邏輯功能，是應用最為廣泛的一個系列。

（5）MAX系列

MAX系列包括MAX9000、MAX7000A、MAX7000B、MAX7000S、MAX3000A等器件系列。這些器件的基本結構單元是乘積項，在工藝上采用EEPROM和EPROM。器件的編程數據可以永久保存，可加密。MAX系列的集成度在數百門到2萬門之間。所有MAX系列的器件都具有ISP在系統編程的功能，支持JTAG邊界掃描測試。

（6）Cyclone系列

Altera的系列FPGA在邏輯門、存儲器、鎖相環和高級I/O接口之間具有較好的平衡，Cyclone FPGA是價格敏感應用的最佳選擇。Cyclone FPGA具有以下特性。

①采用新的可編程構架，通過設計實現低成本。

②嵌入式存儲資源支持各種存儲器應用和數字信號處理（DSP）實施。

②專用外部存儲接口電路集成了DDR FCRAM和SDRAM器件以及SDR SDRAM存儲器件。

④支持串行總線網絡接口及多種通信協議。

⑤使用PLL管理片內和片外系統時序。

⑥支持單端I/O標準和差分I/O技術，支持高達311Mb/s的LVDS信號。

⑦支持NIOS Ⅱ系列嵌入式處理器。

⑧采用新的串行配置器件低成本配置方案。

⑨通過Quartus Ⅱ軟件OpenCore評估特性，免費評估IP功能。

（7）Cyclone Ⅳ系列

Cyclone Ⅳ器件采用經過優化的60nm低功耗工藝。Cyclone Ⅳ FPGA系列只需要兩路電源供電，簡化了電源分配網絡。其特點如下。

①多達115KB的垂直排列的LE，以M9K模塊形式排列的4MB嵌入式存儲器。

②多達266個18×18位乘法器。

③專用外部存儲器接口電路，用以連接DDR2、DDR和SDR SDRAM以及QDPⅡSRAM存儲器件。最多有4個嵌入式PLL，用于片內和片外系統時鐘管理。

④支持單端I/O標準的64位、66MHz PCI和64位、100MHz PCI-X（模式1）協議。

⑤具有差分I/O信號，支持RSDS、mini-LVDS、LVPECL和LVDS，CycloneⅣ GX集成了3.125Gb/s收發器。

⑥對安全敏感應用進行自動CRC檢測，支持完全定制NIOS Ⅱ嵌入式處理器。

⑦采用串行配置器件低成本配置解決方案。

（8）MAX Ⅱ系列

這是一款上電即用、非易失性的PLD器件系列，用于通用的低密度邏輯應用環境。MAX Ⅱ系列器件還將成本和功耗優勢引入了高密度領域。其特點是使用LUT結構，內含Flash，可以實現自動配置。和3.3V MAX器件相比，MAX Ⅱ器件只有很小的功耗，采用1.8V內核電壓，以減小功耗，可靠性高。支持內部時鐘頻率達300MHz，內置用戶非易失性Flash存儲器塊，通過取代分立式非易失性存儲器件減少芯片數量。

MAX Ⅱ器件在工作狀態時能夠下載第二個設計，可降低遠程現場升級的成本，有靈活的多電壓MultiVolt內核。片內電壓調整器支持3.3V、2.5V或1.8V電源輸入。可減少電源電壓種類，簡化單板設計?？梢栽L問JTAG狀態機，可提高單板上不兼容JTAG協議的Flash器件的配置效率。

隨著百萬門級FPGA的推出，SoPC可編程芯片系統成為可能，它可將一個完整的系統集成在一個可編程邏輯器件內。為了支持SoPC的實現，方便用戶的開發與應用，Altera還提供了眾多性能優良的宏模塊、IP核以及系統集成解決方案，這些宏功能模塊、IP核都經過了嚴格的測試，使用這些模塊將大大減少設計的風險，縮短開發周期，可使用戶將更多的精力和時間放在改善和提高設計系統的性能上，而不是重復開發已有的模塊。

Altera通過以下兩種途徑開發IP模塊。

①AMPP（Altera Megafunction Partners Program）。AMPP是Altera宏功能模塊和IP核開發伙伴組織，通過該組織，提供基于Altera器件的優化宏功能模塊和IP核。

②MegaCore。又稱為兆功能模塊，是Altera自行開發完成的。兆功能模塊擁有高度的靈活性，具有一些固定功能器件達不到的性能。

Altera的Quartus平臺提供對各種宏功能模塊進行評估的功能，允許用戶在購買某個宏功能模塊之前對該模塊進行編譯和仿真，以測試其性能。

Altera能夠提供以下宏功能模塊。

①數字信號處理類。即DSP基本運算模塊，包括快速加法器、快速乘法器、FIR濾波器和FFT等，這些參數化的模塊均針對Altera FPGA的結構做了充分的優化。

②圖像處理類。Altera為數字視頻處理所提供的包括壓縮和過濾等應用模塊均針對Altera器件內置存儲器的結構進行了優化，包括離散余弦變換和JPEG壓縮等。

③通信類。包括信道編碼解碼、Viterbi編碼解碼和Turbo編碼解碼等模塊，還能夠提供無線電軟件應用模塊，如快速傅立葉變換和數字調制解調器等。在網絡通信方面也提供了諸多選擇，從交換機到路由器，從橋接器到終端適配器，均提供了一些應用模塊。

④接口類。包括PCI、USB、CAN等總線接口以及SDRAM控制器、IEEEl394標準接口。其中PCI總線接口包括64位、66MHz的PCI總線和32位、33MHz的PCI總線等幾種方案。

⑤處理器及外圍功能模塊。包括嵌入式微處理器、微控制器、CPU核、NIOS核、UART和中斷控制器等。此外還有編碼器、加法器、鎖存器、寄存器和各類FIFO等IP。

2.Lattice公司的FPGA和CPLD器件

Lattice也是最早推出PLD的公司之一。Lattice公司的CPLD產品主要有ispLSI、ispMACH等系列。20世紀90年代，Lattice發明了ISP（In-System Programmability）下載方式，并將EECMOS與ISP相結合，使CPLD的應用領域有了巨大的擴展。

（1）ispLSI系列

ispLSI系列器件是Lattice公司于20世紀90年代推出的大規?？删幊踢壿嬈骷?，集成度在1000～60000門之間，Pin-to-Pin（引腳到引腳）延時最小可達3ns。ispLSI器件支持在系統編程和JTAG邊界掃描測試功能。

ispLSI器件主要分四個系列：ispLSI 1000E系列、ispLSI 2000E/2000VL/200VE系列、ispLSI 5000V系列、ispLSI 8000/8000V系列。它們的基本結構和功能相似，但在用途上有一定的側重點，因而在結構和性能上有細微的差異，有的速度快，有的密度高，有的成本低，有的I/O口多，適合在不同的場合應用。

（2）ispMACH 4000系列

ispMACH 4000系列CPLD器件有3.3V、2.5V和1.8V三種供電電壓，分別屬于ispMACH 4000V、ispMACH 4000B和ispMACH 4000C器件系列。

ispMACH 4000Z、ispMACH 4000V和ispMACH 4000Z均支持軍用溫度范圍。MAcH4000系列支持介于3.3V和1.8V之間的I/O標準，既有業界領先的速度性能，又能提供最低的動態功耗。ispMACH 4000系列具有SuperFAST性能，引腳至引腳之間的傳輸延遲tpd為2.5ns，頻率可達400MHz。

（3）EC和ECP系列

EC和ECP系列屬于Lattice的FPGA系列，使用0.13μm工藝制造，提供低成本的FPGA解決方案。在ECP系列器件中還嵌入了DSP模塊。

3. Xilinx公司的FPGA和CPLD器件

Xilinx在1985年首次推出了FPGA，隨后不斷推出新的集成度更高、速度更快、價格更低、功耗更小的FPGA器件系列。Xilinx有以CoolRunner、XC9500系列為代表的CPLD以及以XC4000、Spartan、Virtex系列為代表的FPGA器件，如C2000、XC4000、Spartan和Virtex、VirtexIIpro、Virtex-4等系列，其性能不斷提高。

（1）Virtex-4系列FPGA

采用已驗證的90nm工藝制造，密度達20萬邏輯單元，速度可達500MHz。整個系列分為三個面向特定應用領域而優化的FPGA平臺架構，分別是：

①面向邏輯密集的設計：Virtex-4LX；

②面向高性能信號處理應用：Virtex-4SX；

③面向高速串行連接和嵌入式處理應用：Virtex-4FX。

（2）Spartan Ⅱ/Spartan-3/Spartan-3E器件系列

Spartan Ⅱ器件是以Virtex器件的結構為基礎發展起來的第二代高容量FPGA。Spartan Ⅱ器件的集成度可以達到15萬門，系統速度可達到200MHz，能達到ASIC的性價比。Spartan Ⅱ器件的工作電壓為25V，采用0.22μm/0.18μm CMOS工藝，6層金屬連線制造。

Spartan-3也采用90nm工藝制造，是繼Spartan Ⅱ之后的一個低成本FPGA版本。

（3）XC9500/XC9500XL系列CPLD

XC9500系列被廣泛地應用于通信、網絡和計算機等產品中。該系列器件采用快閃存儲技術（Fast Flash），比EECMOS工藝的速度更快，功耗更低。目前，Xilinx公司XC9500系列CPLD的tpd可達到4ns，宏單元數達到288個，系統時鐘可達到200MHz。

XC9500器件支持PCI總線規范和JTAG邊界掃描測試功能；具有在系統可編程能力。該系列有XC9500、XC9500XV和XCS1500XL三種類型，內核電壓分別為5V、2.5V和3.3V。器件重要特點如下。

①采用快閃存儲技術，器件速度快，功能強，引腳到引腳的延時最低為4ns，系統速度可達200MHz，器件功耗低。

②引腳作為輸入可以接受3.3V、2.5V、1.8V和1.5V等幾種電壓，作為輸出可以配置為3.3V、2.5V、1.8V等電壓。

③支持在系統編程和JTAG邊界掃描測試功能，器件可以反復編程達10000次，編程數據可以保持20年。

④集成度為36～288個宏單元，800～6400個可用門，器件有不同的封裝形式。

XC9500XL系列是XC9500系列器件的低電壓版本，采用3.3V供電，成本低于XC9500系列器件。

4. FPGA的器件選擇和使用注意事項

（1）供應商的選擇

目前，主要的FPGA供應商有Xilinx公司、Altera公司、Lattice公司和Actel公司，其中Xilinx公司和Altera公司的規模最大，能提供器件的種類非常豐富。

（2）FPGA器件的基本參數和指標選擇

基本參數是器件選型的重要標準。基本參數主要包括邏輯單元的數量、等效邏輯門數量、可用的I/O數量、片內的存儲資源的多少等，其他參數有時鐘管理、鎖相環和延時鎖定環、PLL和DLL、高速I/O接口、嵌入式的硬件乘法器或者DSP單元、處理器的硬IP核、其他硬IP核、各種軟IP核。

（3）型號選擇

選擇具體型號的FPGA需要考慮的因素的比較多，包括管腳數量、邏輯資源、片內存儲器、DSP資源、功耗、封裝的形式等等，一般都要參考各個廠家給出的器件的Datasheet，了解各項的參數和性能指標。為了保證具有較好的可擴展性和可升級性，應留出一定的資源余量，因此，要進行系統硬件資源需求的估計。

（4）外圍器件的選擇

FPGA型號選定以后，根據FPGA的特性，為其選擇合適的電源芯片、片外存儲器芯片，配置信息存儲器。

在設計FPGA的最小系統時，一般需要注意以下幾個方面。

①必需的功能　最小系統之中，除了EP1C3芯片之外，應該還包括3.3V的I/O口用穩壓電源、內核用1.5V穩壓電源、測試用發光二極管指示燈、JTAG口、I/O口引出排針、有源晶振電路等。

②I/O口的引出與排列　最小系統板除了用于做一些簡單的編程實驗之外，最主要還是用于與其他擴展板配合使用，即可以嵌入到一些復雜的系統中。因此，盡量把所有的I/O都引出，同時應該分類引出，并且排列應比較連貫。

③器件的選擇　對于低成本小系統，一般選擇EP1C3或EP1C6，穩壓芯片一般選擇1117系列。許多廠家都用1117系列，并且各種不同的輸出電壓值都有，方便設計時靈活選擇。

④可選功能　可選功能包括1～3路RS232接口、I²C總線存儲器（例如24C02、24C64）。如果考慮到以NIOS Ⅱ的應用為主，FPGA可以改用EP1C6。144引腳封裝的EP1C6與EP1C3除了幾個特殊I/O外完全兼容?？砂凑誂ltera公司或相關開發板公司提供的開發板加上外部Flash和SDRAM。

（二）FPGA/CPLD常用開發軟件

1. Quartus Ⅱ軟件

Quartus Ⅱ是Altera公司推出的FPGA/CPLD開發工具，Quartus Ⅱ提供了完全集成且與電路結構無關的開發包環境，具有數字邏輯設計的全部特性。利用Quartus Ⅱ軟件的開發流程可概括為以下幾步：設計輸入、設計編譯、設計時序分析、設計仿真和器件編程。其中包括原理圖、結構框圖的Verilog HDL、AHDL和VHDL電路描述，可將其保存為設計實體文件；可進行芯片（電路）平面布局連線編輯，通過LogicLock增量設計方法，用戶可優化系統，添加對原始系統性能影響較小或無影響的后續模塊。

該軟件還提供以下功能：

①功能強大的邏輯綜合工具；

②完備的電路功能仿真與時序邏輯仿真工具；

③定時/時序分析與關鍵路徑延時分析；

④可使用SignalTap Ⅱ邏輯分析工具進行嵌入式邏輯分析；

⑤支持軟件源文件的添加和創建，并將它們鏈接起來生成編程文件；

⑥使用組合編譯方式可一次完成整體設計流程；

⑦自動定位編譯錯誤；

⑧高效的期間編程與驗證工具；

⑨可讀入標準的EDIF網表文件、VHDL網表文件和Verilog網表文件；

⑩能生成第三方EDA軟件使用的VHDL網表文件和Verilog網表文件。

Quartus Ⅱ編譯器支持的硬件描述語言有VHDL、Verilog HDL及AHDL（Altera HDL），AHDL是Altera公司自己設計、制定的硬件描述語言，是以結構描述方式為主的硬件描述語言。Quartus Ⅱ設計流程如圖1.11所示。

2. ISE軟件

ISE是Xilinx推出的FPGA/CPLD開發設計工具集合，由早期的Foundation系列逐步發展到目前的ISE 9.1系列，集成了FPGA開發需要的所有功能，Foundation Series ISE具有界面友好、操作簡單的特點，已經成為非常通用的FPGA工具軟件。

ISE的主要功能包括設計輸入、綜合、仿真、實現和下載，涵蓋了FPGA開發的全過程，從功能上講，其工作流程無需借助任何第三方EDA軟件。

①設計輸入　ISE提供的設計輸入工具包括用于HDL代碼輸入和查看報告的ISE文本編輯器（The ISE Text Editor），用于原理圖編輯的工具ECS（The Engineering Capture System），用于生成IP Core的Core Generator，用于狀態機設計的StateCAD以及用于約束文件編輯的Constraint Editor等。

②綜合　ISE的綜合工具不但包含了Xilinx自身提供的綜合工具XST，同時還可以內嵌Mentor Graphics公司的Leonardo Spectrum和Synplicity公司的Synplify，實現無縫鏈接。

③仿真　ISE本身自帶了一個具有圖形化波形編輯功能的仿真工具HDL Bencher，同時又提供了使用Model Tech公司的Modelsim進行仿真的接口。

④實現　此功能包括了翻譯、映射、布局布線等，還具備時序分析、管腳指定以及增量設計等高級功能。

⑤下載　下載功能包括了BitGen，用于將布局布線后的設計文件轉換為位流文件，還包括了ImPACT，其功能是進行設備配置和通信，將程序燒寫到FPGA芯片中去。

3. Diamond軟件

Diamond是Lattice公司推出的PLD開發設計軟件。Diamond集成工具環境為低密度和超低密度FPGA的應用設計提供了一個友好、全面、快速的用戶界面。Diamond使用擴展的基于項目的設計流程和集成的工具視圖，可為用戶提供包括進程流、層次結構、模塊和文件列表等系統級信息，提供集成的HDL代碼檢查和合并報告生成功能。其特點如下。

①基于GUI的完整FPGA設計和驗證環境。

②可通過多個工程以及設置策略，對單個設計項目進行設計探索。

③提供時序和功耗管理的圖形化操作環境。