FPGA主流产品对比与最小系统实现
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RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平、RW 为高电平 时可以读忙信号，当RS为高电平、RW 为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
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FPGA最小系统电路分析
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二、FPGA最小系统的实现
最小系统概念
FPGA最小系统是可以使 FPGA正常工作的最简单 的系统。它的外围电路尽 量最少，只包括FPGA必 要的控制电路。
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二、FPGA最小系统的实现
下载电路
FPGA 芯片
外部时钟
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复位电路和电源
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FPGA最小系统电路分析
25芯
9芯
信号方向来自
缩写
2
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PC
TXD
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调制解调器
RXD
PC
RTS
调制解调器
CTS
调制解调器
DSR
GND
调制解调器
CD
PC
DTR
调制解调器
RI
描述
发送数据
接受数据 请求发送 允许发送 通信设备准备好 信号地 载波检测 数据终端准备好 响铃指示器
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FPGA最小系统电路分析
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异步SRAM（ASRAM）存储器接口电路设计
由于ASRAM的读写时序相对比较简单，因此一 般使用SRAM作为数据的缓冲，但其成本相对 SDRAM 高。而且作为异步设备，ASRAM 对于 时钟同步的要求也不高，可以在低速下运行。 ASRAM主要为8位和16位数据宽度，用户可根 据需要进行选择。
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FPGA最小系统电路分析
SDRAM 可作为软嵌入式系统的（NIOS II） 的程序运行空间，或者作为大量数据的缓 冲区。SDRAM 是通用的存储设备，只要 容量和数据位宽相同，不同公司生产的芯 片都是兼容的。
高速SDRAM存储器 接口电路设计
一般比较常用的SDRAM包括现代HY57V系列、 三星K4S系列和美光 MT48LC系列。例如， 4M×32 位的 SDRAM，现代公司的芯片型号 为 HY57V283220，三星公司的为K4S283232， 美光公司的为MT48LC4M32。这几个型号的 芯片可以相互替换。
FPGA最小系统电路分析
字符型液晶显示器接口电路设计
第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱， 接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个
10kW的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择线，高电平时选择数据寄存器低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和
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FPGA最小系统电路分析
PS/2鼠标及键盘接口电路设计
早期的PS/2鼠标及键盘采用5V电压标准，目前的PS/2鼠标及键盘主要采用 3.3V电压准，如图所示的参考电路可以实现对两种标准的兼容。
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FPGA最小系统电路分析
RS-232串口
RS-232接口定义表
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
FPGA主流产品介绍
Spartan-3E
Xilinx 2005年推出的低成本FPGA，基于Spartan-3/3L，对性能和成本进 一步优化。不过该系列的最大特点还是成本低，适合低成本应用场合， 是Xilinx未来几年在低端FPGA市场上的主要产品，该系列提供了在大批 量、以门电路为核心的设计中所需要的平台性能和低成本的最佳结合。 Spartan-3E系列芯片最低的器件成本10万门电路价格低于2.00美元， 120万门电路价格低于9.00美元，但是该系列仍将大量的可编程逻辑、知 识产权(IP)核、高级时钟电路和嵌入式存储器以及多种快速互连结构结合 在一起，这就使得用户可以用最少的钱在单一芯片上对复杂片上系统 (SOC)设计所需的连接功能、DSP和数据处理应用进行定制。Spartan3E系列FPGA专门面向大批量、成本敏感型消费类电子应用而设计，包 括宽带接入、家庭网络、显示器/投影仪和数字电视装备等，也适合个人 用户比如学生进行学习研究或是实验室项目用。
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FPGA主流产品介绍
Stratix
Stratix:Altera大规模高端FPGA，2002年中期推出，0.13μm工艺， 1.5V内核供电，集成硬件乘加器，该芯片适合高端应用。
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FPGA主流产品介绍
Stratix Ⅱ
Stratix的下一代产品，2004年中期推出，90nm工艺，1.2V内核 供电，大容量高性能FPGA。性能超越Stratix，是未来几年中 Altera在高端FPGA市场中的主力产品。
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FPGA发展概述
FGPA/CPLD经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多 种可编程逻辑器件。比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器 件系列和Altera公司的CPDL器件系列，它们开发较早，占 据了较大的PDL市场。通常来说，在欧洲用Xilnix的人多， 在日本和亚太地区用Altera的人多，在美国则是平分秋色。 全球PLD/FGPA产品6成以上是由Altera和Xilinx提供的，可 以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。当然 还有许多其它的公司，比如: lattice，vantis，Actel， Quicklogic，Lucent等，他们的产品各有特色，走的技术 路线也不尽相同。
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FPGA最小系统电路分析
Flash存储器接口电路设计
Flash 可作为软嵌入式系统的程序存储空间，或者作为程序的固件空间。最 常使用的MD 公司或者Intel公司的Flash。在小容量的Flash选择上，AMD 公司的 Flash性价比较高，而高容量的Flash选择上，Intel公司的Flash性价 比较高。 Flash 同样也可以通过设置实现 8 位和 16 位的数据位宽。
USB 2.0接口芯片CY7C68013电路设计
通过开发系统上的USB接口，可以用USB电缆直接将系统与主机相连 （比如 PC机）USB接口使用了Cypress公司的CY7C68013芯片来实现。
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FPGA最小系统电路分析
电源电路电路设计
电源是整个系统能够正常工作的基本保证，如果电源电路设计的不好，系统有可能不 能工作，或者即使能工作但是散热条件不好，导致系统不稳定等异常情况。所以如何 选用合适的电源芯片，以及如何合理地对电源进行布局布线，都是值得下大功夫研究 的。 在选用电源之前要仔细阅读FPGA的芯片手册，一般来说FPGA用到的管脚和资源越多， 那么所需要的电流就越大，当电路启动时FPGA的瞬间电流也比较大。通过数据手册中 提供的电气参数，确定FPGA最大需要多大的电流才能工作。 下面是几种常使用的FPGA参考电源。 AS117 可以提供 1A 电流，线型电源（适用144管脚以下、5万逻辑门以下的FPGA）。 AS2830（或 LT1085/6）可以提供 3A 电流，线性电源（适用 240 管脚以下、30万逻 辑门以下的FPGA）。 TPS54350可以提供3A电流，开关电源（适用大封装大规模的高端 FPGA）。
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FPGA最小系统电路分析
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开关、按键与发光LED电路设计
发光LED 电路、拨码开关电路、按键开关 电路
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FPGA最小系统电路分析
VGA接口电路设计
红色飓风开发板提供了VGA显示功能与接口，可以用普通的VGA电缆连接到 计算机的显示器上。
包括的信号有Red（R）、Green（G）、Blue（B）、Horizontal Sync（水 平扫描 HS）ertical Sync（垂直扫描 VS）。系统结构示意图如下：
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FPGA主流产品介绍
Virtex-4
Xilinx最新一代高端FPGA产品，包含三个子系列:LX，SX，FX。Virtex4 LX侧重普通逻辑应用;Virtex-4 SX侧重数字信号处理，DSP模块比较 多;Virtex一4 FX集成Power PC和高速接口收发模块。此系列各项指标比 上一代VirtexⅡ均有很大提高，获得2005年EDN杂志最佳产品称号，是 未来几年Xilinx在高端FGPA市场中的最重要的产品。最新推出的Virtxe-4 平台FPGA系列提供了最先进的逻辑、最高的性能、最高的密度和最大 的存储器容量。在如下的应用中使用Virtex-4 FPGA将代替ASIC和ASSP: 网络、电信、存储器、服务器、计算、无线、广播、视频、成像、医疗、 工业和国防。
1、用户I/O 2、配置管脚 3、电源管脚 4、时钟管脚 5、特殊管脚
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FPGA最小系统电路分析
下载配置与调试接口电路设计
FPGA 是 SRAM 型结构，本身并不能固化程序。因此 FPGA 需要一片 Flash结构的配置芯片来存储逻辑配置信息，用于进行上电配置。 以 Altera 公司的 FPGA 为例，配置芯片分为串行（EPCSx 系列）和并行（EPCx 系 列）种。其中EPCx系列为老款配置芯片，体积较大，价格高。而EPCSx系 列芯片与之相比，体积小、价格低。 另外，除了使用 Altera 公司的配置芯 片，也可以使用 Flash+CPLD的方式去配置FPGA。 在把程序固化到配置芯片之前，一般先使用 JTAG 模式去调试程序，也就 是把程序下载FPGA芯片上运行。虽然这种方式在断电以后程序会丢失，但 是充分利用了 FPGA的无限擦写性。 所以一般 FPGA 有两个下载接口：JTAG 调试接口和 AS（或 PS）模式下 载接口。所不同的是前者下载至FPGA，后者是编程配置芯（如EPCSx）， 然后再配置 FPGA。
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FPGA主流产品介绍
Spartan-3/3L
较新一代FPGA产品，结构与VirtexⅡ类似，全球第一款90nm工艺FPGA， 1.2V内核电压，于2003年开始陆续推出。其成本低廉，总体性能指标不 是很优秀，适合低成本应用场合，是Xilinx未来几年在低端FPGA市场上 的主要产品，目前市场上中低容量型号很容易购买到，大容量相对少一 些。
Cyclone
Altera中等规模FPGA，2003年推出，0.13μm工艺，1.5V内核供 电，与Strartix结构类似，是一种低成本FPGA系列，是推出至今 的主流产品，Altera最成功的器件之一，性价比不错，是一种适 合中低端应用的通用FPGA，推荐初学者及小规模设计使用。 Cyclone FPGA具有以下特性: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;专用外部存储接口电路集成了DDR FCRAM和SDRAM器件以及SDR SDRAM存储器件;支持串行、总 线和网络接口及各种通信协议;采用新的串行配置器件的低成本配 置方案等等。
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FPGA主流产品介绍
CycloneⅡ
Cyclone的下一代产品，2005年开始推出，90nm工艺，1.2V内核 供电，属于低成本FPGA，性能和Cyclone相当，提供了硬件乘法 器单元。其低成本结构和Cyclone FPGA丰富的器件资源相结合， 能够实现完整的可编程芯片系统(SOPC)方案，成为大批量应用 的理想选择，因此消费类、通信、计算机外设、工业类和汽车市 场都将从中获益。
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FPGA主流产品介绍
Altera公司 Cyclone，CycloneⅡ （飓风系列） Altera公司strartix,strartixⅡ Xilinx公司 Spartan-3/3 、Spartan-3E Xilinx公司Virtex-4
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FPGA主流产品介绍
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FPGA发展概述
最早的可编程逻辑器件出现在20世纪 70年代初，主要 是可编程只读存储器和可编程逻辑阵列。70年代末出现 了可编程阵列逻辑器件。80年代初期，美国Lattice公司 推出了一种新型的PLD器件，称为通用阵列逻辑，一般 认为它是第二代PLD器件。随着技术的进步，生产工艺 的不断改进，器件规模不断扩大，逻辑功能不断增强， 各种可编程逻辑器件如雨后春笋般涌现。在20世纪80 年代中期，美国Xilinx公司首先推出了现场可编程门阵 列器件（FPGA）。FPGA器件采用逻辑单元阵列结构 和静态随即存取存储器工艺，设计灵活、集成度高、可 无限次反复编程，并可现场模拟调试验证。
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FPGA最小系统电路分析
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二、FPGA最小系统的实现
最小系统概念
FPGA最小系统是可以使 FPGA正常工作的最简单 的系统。它的外围电路尽 量最少，只包括FPGA必 要的控制电路。
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二、FPGA最小系统的实现
下载电路
FPGA 芯片
外部时钟
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复位电路和电源
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25芯
9芯
信号方向来自
缩写
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PC
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调制解调器
RXD
PC
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调制解调器
CTS
调制解调器
DSR
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调制解调器
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调制解调器
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描述
发送数据
接受数据 请求发送 允许发送 通信设备准备好 信号地 载波检测 数据终端准备好 响铃指示器
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异步SRAM（ASRAM）存储器接口电路设计
由于ASRAM的读写时序相对比较简单，因此一 般使用SRAM作为数据的缓冲，但其成本相对 SDRAM 高。而且作为异步设备，ASRAM 对于 时钟同步的要求也不高，可以在低速下运行。 ASRAM主要为8位和16位数据宽度，用户可根 据需要进行选择。
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SDRAM 可作为软嵌入式系统的（NIOS II） 的程序运行空间，或者作为大量数据的缓 冲区。SDRAM 是通用的存储设备，只要 容量和数据位宽相同，不同公司生产的芯 片都是兼容的。
高速SDRAM存储器 接口电路设计
一般比较常用的SDRAM包括现代HY57V系列、 三星K4S系列和美光 MT48LC系列。例如， 4M×32 位的 SDRAM，现代公司的芯片型号 为 HY57V283220，三星公司的为K4S283232， 美光公司的为MT48LC4M32。这几个型号的 芯片可以相互替换。
FPGA最小系统电路分析
字符型液晶显示器接口电路设计
第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱， 接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个
10kW的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择线，高电平时选择数据寄存器低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和
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PS/2鼠标及键盘接口电路设计
早期的PS/2鼠标及键盘采用5V电压标准，目前的PS/2鼠标及键盘主要采用 3.3V电压准，如图所示的参考电路可以实现对两种标准的兼容。
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RS-232串口
RS-232接口定义表
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Spartan-3E
Xilinx 2005年推出的低成本FPGA，基于Spartan-3/3L，对性能和成本进 一步优化。不过该系列的最大特点还是成本低，适合低成本应用场合， 是Xilinx未来几年在低端FPGA市场上的主要产品，该系列提供了在大批 量、以门电路为核心的设计中所需要的平台性能和低成本的最佳结合。 Spartan-3E系列芯片最低的器件成本10万门电路价格低于2.00美元， 120万门电路价格低于9.00美元，但是该系列仍将大量的可编程逻辑、知 识产权(IP)核、高级时钟电路和嵌入式存储器以及多种快速互连结构结合 在一起，这就使得用户可以用最少的钱在单一芯片上对复杂片上系统 (SOC)设计所需的连接功能、DSP和数据处理应用进行定制。Spartan3E系列FPGA专门面向大批量、成本敏感型消费类电子应用而设计，包 括宽带接入、家庭网络、显示器/投影仪和数字电视装备等，也适合个人 用户比如学生进行学习研究或是实验室项目用。
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Stratix
Stratix:Altera大规模高端FPGA，2002年中期推出，0.13μm工艺， 1.5V内核供电，集成硬件乘加器，该芯片适合高端应用。
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Stratix Ⅱ
Stratix的下一代产品，2004年中期推出，90nm工艺，1.2V内核 供电，大容量高性能FPGA。性能超越Stratix，是未来几年中 Altera在高端FPGA市场中的主力产品。
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FPGA发展概述
FGPA/CPLD经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多 种可编程逻辑器件。比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器 件系列和Altera公司的CPDL器件系列，它们开发较早，占 据了较大的PDL市场。通常来说，在欧洲用Xilnix的人多， 在日本和亚太地区用Altera的人多，在美国则是平分秋色。 全球PLD/FGPA产品6成以上是由Altera和Xilinx提供的，可 以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。当然 还有许多其它的公司，比如: lattice，vantis，Actel， Quicklogic，Lucent等，他们的产品各有特色，走的技术 路线也不尽相同。
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Flash存储器接口电路设计
Flash 可作为软嵌入式系统的程序存储空间，或者作为程序的固件空间。最 常使用的MD 公司或者Intel公司的Flash。在小容量的Flash选择上，AMD 公司的 Flash性价比较高，而高容量的Flash选择上，Intel公司的Flash性价 比较高。 Flash 同样也可以通过设置实现 8 位和 16 位的数据位宽。
USB 2.0接口芯片CY7C68013电路设计
通过开发系统上的USB接口，可以用USB电缆直接将系统与主机相连 （比如 PC机）USB接口使用了Cypress公司的CY7C68013芯片来实现。
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电源电路电路设计
电源是整个系统能够正常工作的基本保证，如果电源电路设计的不好，系统有可能不 能工作，或者即使能工作但是散热条件不好，导致系统不稳定等异常情况。所以如何 选用合适的电源芯片，以及如何合理地对电源进行布局布线，都是值得下大功夫研究 的。 在选用电源之前要仔细阅读FPGA的芯片手册，一般来说FPGA用到的管脚和资源越多， 那么所需要的电流就越大，当电路启动时FPGA的瞬间电流也比较大。通过数据手册中 提供的电气参数，确定FPGA最大需要多大的电流才能工作。 下面是几种常使用的FPGA参考电源。 AS117 可以提供 1A 电流，线型电源（适用144管脚以下、5万逻辑门以下的FPGA）。 AS2830（或 LT1085/6）可以提供 3A 电流，线性电源（适用 240 管脚以下、30万逻 辑门以下的FPGA）。 TPS54350可以提供3A电流，开关电源（适用大封装大规模的高端 FPGA）。
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开关、按键与发光LED电路设计
发光LED 电路、拨码开关电路、按键开关 电路
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VGA接口电路设计
红色飓风开发板提供了VGA显示功能与接口，可以用普通的VGA电缆连接到 计算机的显示器上。
包括的信号有Red（R）、Green（G）、Blue（B）、Horizontal Sync（水 平扫描 HS）ertical Sync（垂直扫描 VS）。系统结构示意图如下：
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Virtex-4
Xilinx最新一代高端FPGA产品，包含三个子系列:LX，SX，FX。Virtex4 LX侧重普通逻辑应用;Virtex-4 SX侧重数字信号处理，DSP模块比较 多;Virtex一4 FX集成Power PC和高速接口收发模块。此系列各项指标比 上一代VirtexⅡ均有很大提高，获得2005年EDN杂志最佳产品称号，是 未来几年Xilinx在高端FGPA市场中的最重要的产品。最新推出的Virtxe-4 平台FPGA系列提供了最先进的逻辑、最高的性能、最高的密度和最大 的存储器容量。在如下的应用中使用Virtex-4 FPGA将代替ASIC和ASSP: 网络、电信、存储器、服务器、计算、无线、广播、视频、成像、医疗、 工业和国防。
1、用户I/O 2、配置管脚 3、电源管脚 4、时钟管脚 5、特殊管脚
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下载配置与调试接口电路设计
FPGA 是 SRAM 型结构，本身并不能固化程序。因此 FPGA 需要一片 Flash结构的配置芯片来存储逻辑配置信息，用于进行上电配置。 以 Altera 公司的 FPGA 为例，配置芯片分为串行（EPCSx 系列）和并行（EPCx 系 列）种。其中EPCx系列为老款配置芯片，体积较大，价格高。而EPCSx系 列芯片与之相比，体积小、价格低。 另外，除了使用 Altera 公司的配置芯 片，也可以使用 Flash+CPLD的方式去配置FPGA。 在把程序固化到配置芯片之前，一般先使用 JTAG 模式去调试程序，也就 是把程序下载FPGA芯片上运行。虽然这种方式在断电以后程序会丢失，但 是充分利用了 FPGA的无限擦写性。 所以一般 FPGA 有两个下载接口：JTAG 调试接口和 AS（或 PS）模式下 载接口。所不同的是前者下载至FPGA，后者是编程配置芯（如EPCSx）， 然后再配置 FPGA。
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Spartan-3/3L
较新一代FPGA产品，结构与VirtexⅡ类似，全球第一款90nm工艺FPGA， 1.2V内核电压，于2003年开始陆续推出。其成本低廉，总体性能指标不 是很优秀，适合低成本应用场合，是Xilinx未来几年在低端FPGA市场上 的主要产品，目前市场上中低容量型号很容易购买到，大容量相对少一 些。
Cyclone
Altera中等规模FPGA，2003年推出，0.13μm工艺，1.5V内核供 电，与Strartix结构类似，是一种低成本FPGA系列，是推出至今 的主流产品，Altera最成功的器件之一，性价比不错，是一种适 合中低端应用的通用FPGA，推荐初学者及小规模设计使用。 Cyclone FPGA具有以下特性: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;专用外部存储接口电路集成了DDR FCRAM和SDRAM器件以及SDR SDRAM存储器件;支持串行、总 线和网络接口及各种通信协议;采用新的串行配置器件的低成本配 置方案等等。
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CycloneⅡ
Cyclone的下一代产品，2005年开始推出，90nm工艺，1.2V内核 供电，属于低成本FPGA，性能和Cyclone相当，提供了硬件乘法 器单元。其低成本结构和Cyclone FPGA丰富的器件资源相结合， 能够实现完整的可编程芯片系统(SOPC)方案，成为大批量应用 的理想选择，因此消费类、通信、计算机外设、工业类和汽车市 场都将从中获益。
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Altera公司 Cyclone，CycloneⅡ （飓风系列） Altera公司strartix,strartixⅡ Xilinx公司 Spartan-3/3 、Spartan-3E Xilinx公司Virtex-4
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最早的可编程逻辑器件出现在20世纪 70年代初，主要 是可编程只读存储器和可编程逻辑阵列。70年代末出现 了可编程阵列逻辑器件。80年代初期，美国Lattice公司 推出了一种新型的PLD器件，称为通用阵列逻辑，一般 认为它是第二代PLD器件。随着技术的进步，生产工艺 的不断改进，器件规模不断扩大，逻辑功能不断增强， 各种可编程逻辑器件如雨后春笋般涌现。在20世纪80 年代中期，美国Xilinx公司首先推出了现场可编程门阵 列器件（FPGA）。FPGA器件采用逻辑单元阵列结构 和静态随即存取存储器工艺，设计灵活、集成度高、可 无限次反复编程，并可现场模拟调试验证。