CPLD與FPGA的用途及區(qū)別

FPGA/CPLD能做什么呢？

可以毫不夸張的講，FPGA/CPLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用FPGA/CPLD來實(shí)現(xiàn)。

FPGA/CPLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA/CPLD的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。

使用FPGA/CPLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。

FPGA/CPLD還可以做數(shù)字IC設(shè)計的前端驗(yàn)證，用這種方式可以很大程度上降低IC設(shè)計的成本。

FPGA/CPLD的這些優(yōu)點(diǎn)使得FPGA/CPLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了EDA軟件和硬件描述語言（HDL）的進(jìn)步。

FPGA/CPLD有什么區(qū)別呢？

1）各個廠家叫法不盡相同：

PLD(Programmable Logic Device)是可編程邏輯器件的總稱，早期多EEPROM工藝，基于乘積項（Product Term）結(jié)構(gòu)。

FPGA (Field Programmable Gate Arry)是指現(xiàn)場可編程門陣列，最早由Xilinx公司發(fā)明。多為SRAM 工藝,基于查找表（Look Up Table）結(jié)構(gòu)，要外掛配置用的EPROM。

Xilinx把SRAM工藝,要外掛配置用的EPROM的PLD叫FPGA,把Flash工藝（類似EEPROM工藝）,乘積項結(jié)構(gòu)的PLD叫CPLD;

Altera把自己的PLD產(chǎn)品:MAX系列（EEPROM工藝）,FLEX/ACEX/APEX系列（SRAM工藝）都叫作CPLD,即復(fù)雜PLD(Complex PLD)。

由于FLEX/ACEX/APEX系列也是SRAM工藝,要外掛配置用的EPROM,用法和Xilinx的FPGA一樣，所以很多人把Altera的FELX/ACEX/APEX系列產(chǎn)品也叫做FPGA.

2）結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別

邏輯塊的粒度不同

邏輯塊指PLD 芯片中按結(jié)構(gòu)劃分的功能模塊,它有相對獨(dú)立的組合邏輯陣列,塊間靠互連系統(tǒng)聯(lián)系.FPGA 中的CLB 是邏輯塊,其特點(diǎn)是粒度小,輸入變量為4～8 ,輸出為1～2 ,因而只是一個邏輯單元,每塊芯片中有幾十到近千個這樣的單元. CPLD中邏輯塊粒度較大,通常有數(shù)十個輸入端和一、二十個輸出端,每塊芯片只分成幾塊. 有些集成度較低的(如ATV2500) 則干脆不分塊. 顯然,如此粗大的分塊結(jié)構(gòu)使用時不如FPGA 靈活.

邏輯之間的互連結(jié)構(gòu)不同

CPLD 的邏輯塊互連是集總式的,其特點(diǎn)是等延時,任意兩塊之間的延時是相等的,這種結(jié)構(gòu)給設(shè)計者帶來很大方便; FPGA 的互連則是分布式的,其延時與系統(tǒng)的布局有關(guān),

3）應(yīng)用范圍也有所不同

邏輯系統(tǒng)通常可分兩大類型:

1、邏輯密集型: 如高速緩存控制、DRAM 控制和DMA 控制等,它們僅需要很少的數(shù)據(jù)處理能力,但邏輯關(guān)系一般都復(fù)雜

2、數(shù)據(jù)密集型: 數(shù)據(jù)密集型需要大量數(shù)據(jù)處理能力,其應(yīng)用多見于通訊領(lǐng)域.

為了選擇合適的PLD 芯片,應(yīng)從速度與性能、邏輯利用率、使用方便性、編程技術(shù)等方面進(jìn)行考查。

速度與性能:

數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng),比如,通訊中對信號進(jìn)行處理的二維卷積器. 在實(shí)現(xiàn)這一算法的邏輯系統(tǒng)中,每個單元所需要的輸入端較少,但需要很多這樣的邏輯單元. 這些要求與FPGA 的結(jié)構(gòu)相吻合. 因?yàn)镕PGA 的粒度小,其輸入到輸出的傳輸延遲時間很短,因而能獲得高的單元速度.而控制密集型系統(tǒng)通常是輸入密集型的,邏輯復(fù)雜,CLB 的輸入端往往不夠用,需把多個CLB 串行級聯(lián)使用,同時CLB 之間的連接有可能通過多級通用PI 或長線,導(dǎo)致速度急劇下降. 因而實(shí)際的傳輸延遲時間要大CPLD. 比如,實(shí)現(xiàn)一個DRAM 控制器,它由四個功能塊組成:刷新狀態(tài)機(jī)、刷新地址計數(shù)器、刷新定時器和地址選擇開關(guān),需要的輸入端有幾十個,顯然用CPLD 更合適.

邏輯利用率:

邏輯利用率是指器件中資源被利用的程度. CPLD 邏輯寄存器少,FPGA 邏輯弱而寄存器多,這正好與控制密集型系統(tǒng)與數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)相對應(yīng). 比如, 規(guī)模同為6000PLD 門的is2pLSI1032 有192 個寄存器;而XC4005E 有616 個寄存器. 因此從邏輯利用率角度,對于組合電路較復(fù)雜的設(shè)計,宜采用顆粒較粗的CPLD ，觸發(fā)器較多的設(shè)計,宜采用用細(xì)顆粒的FPGA.

(3) 　使用方便性: 使用方便首先要考慮性能的可預(yù)測性,在這點(diǎn)上CPLD 優(yōu)于FPGA. 對于CPLD ,通常只要輸入、輸出端口數(shù),內(nèi)部門和觸發(fā)器數(shù)目不超過芯片的資源并有一定裕量,總是可以實(shí)現(xiàn)的. 而FPGA ,則很難預(yù)測,因?yàn)橥瓿稍O(shè)計所需的CLB 邏輯級數(shù)是無法事實(shí)確定的,只有靠多次試驗(yàn)才能得到滿意的結(jié)果.

(4) 　編程技術(shù): FPGA 編程信息存放在外部存儲器,要附加存儲器芯片,其保密性差,斷電后數(shù)據(jù)易丟失. CPLD 采用最佳的E2CMOS 技術(shù)。

盡管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可編程ＡＳＩＣ器件,有很多共同特點(diǎn),但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ結(jié)構(gòu)上的差異,具有各自的特點(diǎn):
①ＣＰＬＤ更適合完成各種算法和組合邏輯,ＦＰ ＧＡ更適合于完成時序邏輯。換句話說,ＦＰＧＡ更適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu),而ＣＰＬＤ更適合于觸發(fā)器有限而乘積項豐富的結(jié)構(gòu)。

②ＣＰＬＤ的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了它的時序延遲是均勻的和可預(yù)測的,而ＦＰＧＡ的分段式布線結(jié)構(gòu)決定了其延遲的不可預(yù)測性。

③在編程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的靈活性。ＣＰＬＤ通過修改具有固定內(nèi)連電路的邏輯功能來編程,ＦＰＧＡ主要通過改變內(nèi)部連線的布線來編程;ＦＰ ＧＡ可在邏輯門下編程,而ＣＰＬＤ是在邏輯塊下編程。

④ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實(shí)現(xiàn)。

⑤ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起來更方便。ＣＰＬＤ的編程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技術(shù),無需外部存儲器芯片,使用簡單。而ＦＰＧＡ的編程信息需存放在外部存儲器上,使用方法復(fù)雜。

⑥ＣＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快,并且具有較大的時間可預(yù)測性。這是由于ＦＰＧＡ是門級編程,并且ＣＬＢ之間采用分布式互聯(lián),而ＣＰＬＤ是邏輯塊級編程,并且其邏輯塊之間的互聯(lián)是集總式的。

⑦在編程方式上,ＣＰＬＤ主要是基于Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ存儲器編程,編程次數(shù)可達(dá)1萬次,優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)斷電時編程信息也不丟失。ＣＰＬＤ又可分為在編程器上編程和在系統(tǒng)編程兩類。ＦＰＧＡ大部分是基于ＳＲＡＭ編程,編程信息在系統(tǒng)斷電時丟失,每次上電時,需從器件外部將編程數(shù)據(jù)重新寫入ＳＲＡＭ中。其優(yōu)點(diǎn)是可以編程任意次,可在工作中快速編程,從而實(shí)現(xiàn)板級和系統(tǒng)級的動態(tài)配置。

⑧ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。

⑨一般情況下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度越高越明顯。

1.CPLD

CPLD主要是由可編程邏輯宏單元（LMC，Logic Macro Cell）圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成，其中LMC邏輯結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于 CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計的邏輯電路具有時間可預(yù)測性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時序不完全預(yù)測的缺點(diǎn)。到90年代， CPLD發(fā)展更為迅速，不僅具有電擦除特性，而且出現(xiàn)了邊緣掃描及在線可編程等高級特性。較常用的有Xilinx公司的EPLD和Altera公司的 CPLD。

2. FPGA

FPGA通常包含三類可編程資源：可編程邏輯功能塊、可編程I/O塊和可編程互連?？删幊踢壿嫻δ軌K是實(shí)現(xiàn)用戶功能的基本單元，它們通常排列成一個陣列，散布于整個芯片；可編程I/O塊完成芯片上邏輯與外部封裝腳的接口，常圍繞著陣列排列于芯片四周；可編程內(nèi)部互連包括各種長度的連線線段和一些可編程連接開關(guān)，它們將各個可編程邏輯塊或I/O塊連接起矗?鉤商囟üδ艿牡緶貳２煌?Ъ疑??FPGA在可編程邏輯塊的規(guī)模，內(nèi)部互連線的結(jié)構(gòu)和采用的可編程元件上存在較大的差異。較常用的有Altera、Xinlinx和Actel公司的FPGA。FPGA一般用于邏輯仿真。電路設(shè)計工程師設(shè)計一個電路首先要確定線路，然后進(jìn)行軟件模擬及優(yōu)化，以確認(rèn)所設(shè)計電路的功能及性能。然而隨著電路規(guī)模的不斷增大，工作頻率的不斷提高，將會給電路引入許多分布參數(shù)的影響，而這些影響用軟件模擬的方法較難反映出來，所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以實(shí)現(xiàn)硬件仿真以做成模型機(jī)。將軟件模擬后的線路經(jīng)一定處理后下載到FPGA，就可容易地得到一個模型機(jī)，從該模型機(jī)，設(shè)計者就很直觀地測試其邏輯功能及性能指標(biāo)。