浅谈现场可编程门阵列发展三个阶段的驱动压力和基本特征

第一章绪论1.1 课题背景近年来，随着计算机及网络技术的高速发展，可编程控制器（PLC）已经成为各行各业必不可少的内容。

PLC作为通用的工业计算机，其功能的日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。

PLC 在其诞生的四十年历史中得到了异常迅猛的发展，并与CAD/CAM、机器人技术一起被誉为当代工业自动化的三大支柱。

在工业生产中，大量的开关量顺序控制，他们按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制及大量的离散数据采集。

传统上，这些功能是通过电气控制系统来实现的。

1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程控制器，称为PLC。

从结构上分，PLC分为固定式和组合式两种形式。

固定式PLC包括CPU 板、I/O板、内存块、显示面板、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、电源模块、内存、地板或机架，这些模块可以按照一定的规则组合配置。

传统的生产线存在着各种各样的生产环境，高温、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。

在现代工业中生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

无人生产流水线、无人车间等等，不仅节约了人力资源，而且其高效、低耗、低污染等优点给企业带来了巨大的利润空间。

尤其在高温、高压、噪声、粉尘以及放射和污染的场合，应用更为广泛。

在我国，近几年来也有较快发展，钢厂生产线的PLC控制系统是现代控制理论与工业生产自动化相结合的产物，已成为钢厂生产不可或缺的重要部分，是提高生产过程自动化、改善作业条件、提高产品质量和生产效率的有效率的有效手段。

当前世界范围内轧钢生产工艺发展的趋势是不断连续化、紧凑化、计算机化以及信息化。

原有线材控制系统里的变送器、传感器、调节器等电气原件直接与主控制室相关模块相连，导致现场生产线杂乱、查询故障繁琐、实时性差、电缆繁多、成本高昂，不可避免存在一些缺陷。

浅谈PLC发展概况与发展趋势引言概述：PLC（可编程逻辑控制器）作为现代工业自动化控制领域中的重要设备，已经在工业生产中发挥着重要作用。

本文将从PLC的发展概况和发展趋势两个方面进行探讨，以期对读者对PLC的了解有所匡助。

一、发展概况：1.1 诞生背景PLC最早起源于上世纪60年代，当时美国的工业自动化控制领域对于一种能够替代传统继电器控制系统的新型设备的需求日益增长。

PLC应运而生，成为继电器控制系统的理想替代品。

1.2 发展历程PLC的发展经历了几个阶段。

最初的PLC只能进行简单的逻辑控制，后来逐渐发展为能够进行复杂控制逻辑的高级PLC。

随着技术的进步，PLC的功能越来越强大，现代PLC已经具备了数据采集、通信功能等。

1.3 应用领域PLC广泛应用于各个行业，如创造业、电力行业、交通运输等。

在创造业中，PLC可以实现生产线的自动化控制，提高生产效率和质量；在电力行业，PLC可以用于电网的监控和管理；在交通运输领域，PLC可以实现交通信号灯的控制等。

二、发展趋势：2.1 网络化随着互联网和物联网的快速发展，PLC正朝着网络化方向发展。

现代PLC具备了网络通信功能，可以实现与其他设备的联网和数据交互，进一步提高了系统的可靠性和灵便性。

2.2 智能化未来的PLC将越来越智能化。

通过引入人工智能和机器学习等技术，PLC可以实现更加复杂的控制逻辑和决策，提高系统的自适应性和智能化水平。

2.3 安全性随着工业自动化的普及，对PLC的安全性要求也越来越高。

未来的PLC将加强对数据的保护和安全性的设计，防止被黑客攻击和恶意操作，确保系统的安全运行。

三、发展挑战：3.1 技术更新换代随着技术的不断进步，PLC面临着技术更新换代的挑战。

PLC创造商需要不断跟进最新的技术发展，提供更加先进和可靠的产品，以满足市场的需求。

3.2 人材培养PLC的发展需要专业的人材支持。

培养具备PLC编程和应用能力的人材是一个重要的挑战，需要加强相关专业的教育和培训。

浅析现代PLC控制技术在工业应用中的发展现代PLC（可编程控制器）控制技术在工业应用中的发展经历了几个重要阶段。

PLC是一种以电子数字技术为基础的自动化控制系统，它具有可编程、可靠性高、可扩展性强等特点，广泛应用于工业生产过程中。

第一阶段是PLC的初期发展阶段。

20世纪70年代，PLC逐渐发展起来并开始应用于工业控制领域。

当时的PLC主要采用硬件电路实现逻辑运算，编程语言比较简单，功能相对较弱。

PLC的主要应用领域是生产线上的简单控制操作，如传送带启停、计数和门禁控制等。

第二阶段是PLC的进化阶段。

在80年代，随着微电子技术和电子计算机技术的发展，PLC逐渐向模块化、通信化方向发展。

采用模块化设计的PLC可以根据需要灵活扩展输入输出模块，满足不同应用场景的需求。

PLC开始支持更复杂的逻辑运算和算法，编程语言也逐渐丰富起来，如梯形图、指令表和高级语言等。

PLC的应用范围也从简单控制操作扩展到物流仓储、汽车制造等领域。

第三阶段是PLC的网络化和智能化阶段。

90年代以后，随着计算机网络技术的广泛应用，PLC开始支持以太网通信和远程监控功能，实现了PLC之间的相互通信和与上位机的远程控制。

PLC的智能化程度也不断提高，采用了更强大的处理器和运算速度，能够支持更复杂的算法和控制策略。

PLC的应用领域也进一步拓宽，如能源电力、机械制造和石化等行业。

在工业应用中，现代PLC控制技术的发展带来了许多优势和好处。

PLC具有可编程性和灵活性，可以根据需求对控制系统进行定制化设计。

PLC的可靠性非常高，能够在恶劣工作环境下稳定运行。

PLC的可扩展性强，可以方便地增加输入输出模块和扩展其他外设设备。

最重要的是，PLC具有较为友好的操作界面和编程语言，使得工程师能够快速上手和进行系统调试。

现代PLC控制技术在工业应用中的发展经历了初期发展、进化和网络化智能化三个阶段。

它的发展带来了更强大的控制能力和灵活性，推动了工业自动化和智能化的快速发展。

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PROMProgrammable Read Only Memory和PLAProgrammable 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PALProgrammable 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GALGeneric Array Logic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OLMCoutput Logic Macro Cell,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EPLDErasable PLD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Field Programmability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Field 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-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Complex 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System on Programmable Chip,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.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 → 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.领域.目前世界上有十几家生产CP LD/FP GA的公司,最大的三家是：A L TE RA,X IL IN X,Lat t ic e,其中A LT ERA和XI LI NX占有了60%以上的市场份1Lattice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.1ispLSI1000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,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.2ispLSI2000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.3ispLSI3000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.4ispLSI5000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、状态机和地址译码器等.ispLSI5000V系列工作电压,但其引脚能够兼容5V、、等多种电压标准.5ispLSI6000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.6ispLSI8000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.7ispMACH4000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、ispMACH4000B 和 ispMACH4000C器件系列供电电压分别为、和 ,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°CTj .ispMACH 4000 系列支持介于和之间的 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 4000V/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.8ispLSI5000VE/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%.9ispXPLDTM 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 XPLDeXpanded 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、和伏供电电压的产品可供选择对应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、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程技术的ispXPGA系列FPGA器件,改变了只生产CPLD的状况.2Xilinx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而着名,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/.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等多种电压标准,作为输出可配置成等多种电压标准,工作电压低,适应范围广,功耗低,编程内容可保持20年.3ALTERA公司的CPLD器件系列ALTERA公司是着名的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MAXMultiple Array Matrix、MAXⅡ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系列工作电压为混合电压,B系列为混合电压.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--12000个可用门个有效门.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.4Xilinx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 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.1Virtex器件系列FPGAVirtex器件系列FPGA是高速、高密度的FPGA,采用、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.2Virtex E和Virtex Ⅱ 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、6层金属布线的CMOS 工艺制造,时钟频率高于200MHz,集成度在万门至400万门之间,工作电压.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RAM和最高832KBIT的快状RAM,存储器带宽.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.3Spartan Ⅱ器件系列FPGASpartanⅡ器件系列FPGA是在Virtex器件结构的基础上发展起来的,采用、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.5ALTERA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FLEXFlexible Logic Element Matrix系列、APEXAdvanced Logic Element Matrix系列、ACEXAdvanced Communication Logic Element Matrix系列和Stratix系列.1FLEX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.2APEX和APEX II器件系列FPGAAPEX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,采用更先进的全铜工艺制造以前采用的是铝互连工艺,且I/O结构进行了很大改进,是高速数据通信的不错选择.3ACEX器件系列FPGAACEX器件系列FPGA是ALTERA公司专门为通信、音频信号处理而设计的,采用先进的、6层金属连线的SRAM工艺制造,集成度在数万门到数十万门之间,内嵌Nios处理器,有数字信号处理能力,存储容量、速度适中,价格低,是性价比较高的产品.工作电压,兼容5V.4Stratix器件系列FPGAStratix器件系列FPGA包括Stratix、StratixGX和StratixⅡ等品种,是ALTERA 公司2002年推出的新一代FPGA,采用先进的全铜工艺制造,集成度可达数百万门以上,工作电压.该系列的特点是：内部结构灵活,增强的时钟管理和锁相环PLL,支持3级存储结构；内嵌三级存储单元：可配置为移位寄存器的512BIT RAM,4KBIT的标准RAM和512KBIT带奇偶校验位的大容量RAM；内嵌乘加结构的DSP块；增加片内终端匹配电阻,简化PCB 布线；增加配置错误纠正电路；增强远程升级能力；采用全新的布线结构.其中,Stratix Ⅱ是AITERA公司所提供产品中密度最高、性能最好的产品,内嵌Nios处理器,有最好的DSP处理模块,大容量存储器,高速I/O、存储器接口,1-Gbps DPADynamic Phase Aligment,带同步信号源.Stratix器件系列FPGA是ALTERA公司可与Xilinx公司推出的Virtex ⅡPro系列相媲美的FPGA产品.除了以上3家公司的FPGA/CPLD产品外,还有ACTEL公司、ATMEL公司、AMD 公司、AT&T公司、TI公司、INTEL公司、Motorola公司、Cypress公司、Quicklogic公司等都提供有各自带有不同特点的产品供选用.CPLD/ FPGA等可编程逻辑器件的迅速发展大大促进了电子设计技术的进步,并且有利于开发具有自己知识产权的专用集成电路.同时由于CPLD/ FPGA 的巨大优势,用户可以更加自由和迅捷地向可编程逻辑器件的更高水平进军.因此,作为工科的大学生,我们更应该掌握好可编程逻辑器件的使用,真正让可编程器件在我们的学习工作中发挥更大的作用.。

现场可编程门阵列（FPGA）芯片技术简述杨海钢1前言从1947年第一支晶体管在贝尔实验室诞生，到1958年德克萨斯仪器公司（TI）研究小组研制出第一块集成电路，直至今天甚大规模集成电路继续遵循著名的摩尔定律（Moore’s law）不断向前发展，人类社会已经从电子时代步入以微纳技术为基础的信息时代，集成电路也已渗透到了我们日常生活的每一方面。

图1第一支晶体管及其发明者图2第一块集成电路现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是半导体技术发展的重要产物，与CPU、DSP一样，是大规模集成电路最重要的组成部分。

它是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信息的方式实现所需逻辑功能，而不必依赖由芯片制造商设计和制造的专用芯片。

在过去短短二十多年里，FPGA已从电子设计的外围器件逐渐演变为数字系统的核心，在互联网、通信、图像处理、汽车电子、航空航天和现代军事装备等诸多领域都得到了广泛的应用。

图3 大规模集成电路芯片FPGA的主要特征有：（1）具有可编程逻辑功能模块结构；（2）具有可编程输入/输出模块结构；（3）具有可编程互连资源结构；（4）具有专用EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）软件对其进行配置和下载。

与传统数字电路系统相比，FPGA具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点。

通过配置器件内部的逻辑功能和输入/输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片中进行，提高了电路性能，大大减轻了印刷电路板设计的工作量和难度，有效提高了设计的灵活性和效率。

与ASIC（专用集成电路，Application Specific Integrated Circuit）相比，FPGA 开发周期短、前期投资风险小、产品上市速度快、市场适应能力强和硬件升级空间大。

当产品定型和扩大产量后，在FPGA中实现的设计也可迅速定制为ASIC 进行投产。

备课时间：上课时间：本课题教时数：2 本教时为第 1 教时教学目标：1. 了解FPGA的基本特点和工作原理2. 了解FPGA的主要生产产家教学内容:一、什么是FPGA？FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

二、FPGA的基本特点主要有：1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

三、FPGA工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

四、FPGA主要生产厂商1、Altera2、Xilinx3、Actel4、Lattice其中Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA，其主要产品采用RAM工艺。

fpga是干啥的简单易懂FPGA本质就是芯片，和CPU,GPU一样，FPGA全称现场可编程门阵列。

1.FPGA的本质FPGA（现场可编程门阵列）是由大量的逻辑门阵列构成。

最简单的逻辑门即：与、或、非。

FPGA与CPU的不同在于：对于CPU或者单片机的编程，往往是通过改变上面寄存器的配置来改变的，但是并不会改变这个芯片的逻辑功能。

而FPGA具有硬件可编程性，即：可以对逻辑门阵列进行重复编程，从而使得FPGA可以在逻辑层面上，任意改变自己实现的硬件结构，这就使得FPGA有很高的灵活性了。

FPGA还具有现场可编程性，即：FPGA可根据需求在使用现场完成编程，而不需要拆下来送回厂家再进行编程。

因此，FPGA也被称为是“万能芯片”。

2.FPGA的发展阶段FPGA的三个阶段：发明阶段，扩张阶段，累计阶段。

从当初单纯的“可编程逻辑单元”发展到了拥有成百上千个“可编程逻辑单元的大型阵列”，再发展到了集成了各类硬件资源和IP核的片上系统。

可以说，FPGA已经变成了非常复杂的芯片，成为了延续摩尔定律的最主要的代表。

3.FPGA的应用领域应用领域1.经常用在通讯、网络等领域，用来对大量的网络数据包进行处理。

例如：基站、网络设备等解决方案都是基于FPGA进设计和行实现的。

应用领域2.FPGA也被广泛的应用于航天、航天、军事国防等领域。

据统计：有九成的军用电子设备离不开FPGA，在导弹，卫星，等飞行器里，都需要FPGA进行信号处理和姿态控制等等工作。

应用领域3.作为其他芯片流片前的硬件测试平台无论你开发怎么样的数字芯片，都大概率会在流程里使用FPGA来做硬件测试。

应用领域4.近几年，在云计算，人工智能等领域，发挥着重要的作用。

浅谈PLC发展概况与发展趋势PLC（可编程逻辑控制器）是一种广泛应用于工业自动化领域的电子设备，用于控制和监视各种生产过程。

本文将就PLC的发展概况和发展趋势进行浅谈。

一、PLC发展概况PLC的概念最早出现在20世纪60年代，起初是为了替代传统的继电器控制系统而设计的。

PLC的出现极大地提高了工业生产的效率和可靠性，逐渐成为工业自动化领域的主流控制设备。

PLC的发展经历了几个重要的阶段。

首先是第一代PLC，采用固定的硬线逻辑控制，功能有限。

随后，第二代PLC引入了可编程存储器，使得控制逻辑可以通过编程实现，大大提高了PLC的灵活性和功能。

第三代PLC则进一步增强了处理能力和通信能力，支持更复杂的控制任务和更高的数据处理速度。

目前，PLC已经成为工业自动化领域的核心设备之一，广泛应用于制造业、能源行业、交通运输等领域。

PLC的市场规模不断扩大，技术不断创新和升级，为工业生产提供了强大的支持。

二、PLC发展趋势1. 高性能和高可靠性：随着工业自动化的发展，对PLC的性能和可靠性要求越来越高。

未来的PLC将具备更强大的处理能力和更高的数据处理速度，能够应对更复杂的控制任务和更大规模的系统。

2. 多功能和多样化：随着工业生产的多样化和个性化需求的增加，PLC将越来越多地具备多功能和可定制化的特点。

未来的PLC将支持更多的通信接口和协议，能够与其他设备和系统进行无缝连接和集成，实现更高效的生产和管理。

3. 智能化和网络化：随着物联网技术的发展，PLC将越来越智能化和网络化。

未来的PLC将具备更强大的数据采集和处理能力，能够实时监控和分析生产数据，为决策提供支持。

同时，PLC将与云计算和大数据技术结合，实现远程监控和管理，提高生产的灵活性和效率。

4. 安全性和可持续性：随着网络攻击和环境污染等问题的日益严重，PLC的安全性和可持续性将成为重要的发展趋势。

未来的PLC将加强对网络安全的防护，采用更可靠的硬件和软件设计，保障工业生产的安全和可持续发展。