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CPLD與FPGA的用途及區別

2015-10-08
關鍵詞: CPLD FPGA

  FPGA/CPLD能做什么呢?
  可以毫不夸張的講,FPGA/CPLD能完成任何數字器件的功能,上至高性能CPU,下至簡單的74電路,都可以用FPGA/CPLD來實現。
  FPGA/CPLD如同一張白紙或是一堆積木,工程師可以通過傳統的原理圖輸入法,或是硬件描述語言自由的設計一個數字系統。通過軟件仿真,我們可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以后,還可以利用FPGA/CPLD的在線修改能力,隨時修改設計而不必改動硬件電路。
  使用FPGA/CPLD來開發數字電路,可以大大縮短設計時間,減少PCB面積,提高系統的可靠性。
  FPGA/CPLD還可以做數字IC設計的前端驗證,用這種方式可以很大程度上降低IC設計的成本。
  FPGA/CPLD的這些優點使得FPGA/CPLD技術在90年代以后得到飛速的發展,同時也大大推動了EDA軟件和硬件描述語言(HDL)的進步。
  FPGA/CPLD有什么區別呢?
  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)結構。
  FPGA (Field Programmable Gate Arry)是指現場可編程門陣列,最早由Xilinx公司發明。多為SRAM 工藝,基于查找表(Look Up Table)結構,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),乘積項結構的PLD叫CPLD;
  Altera把自己的PLD產品:MAX系列(EEPROM工藝),FLEX/ACEX/APEX系列(SRAM工藝)都叫作CPLD,即復雜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系列產品也叫做FPGA.
  2)結構上的主要區別
  邏輯塊的粒度不同
  邏輯塊指PLD 芯片中按結構劃分的功能模塊,它有相對獨立的組合邏輯陣列,塊間靠互連系統聯系.FPGA 中的CLB 是邏輯塊,其特點是粒度小,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,如此粗大的分塊結構使用時不如FPGA 靈活.
  邏輯之間的互連結構不同
  CPLD 的邏輯塊互連是集總式的,其特點是等延時,任意兩塊之間的延時是相等的,這種結構給設計者帶來很大方便; FPGA 的互連則是分布式的,其延時與系統的布局有關,
  3)應用范圍也有所不同
  邏輯系統通常可分兩大類型:
  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據處理能力,但邏輯關系一般都復雜
  2、數據密集型: 數據密集型需要大量數據處理能力,其應用多見于通訊領域.
  為了選擇合適的PLD 芯片,應從速度與性能、邏輯利用率、使用方便性、編程技術等方面進行考查。
  速度與性能:
  數據密集型系統,比如,通訊中對信號進行處理的二維卷積器. 在實現這一算法的邏輯系統中,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 的結構相吻合. 因為FPGA 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.而控制密集型系統通常是輸入密集型的,邏輯復雜,CLB 的輸入端往往不夠用,需把多個CLB 串行級聯使用,同時CLB 之間的連接有可能通過多級通用PI 或長線,導致速度急劇下降. 因而實際的傳輸延遲時間要大CPLD. 比如,實現一個DRAM 控制器,它由四個功能塊組成:刷新狀態機、刷新地址計數器、刷新定時器和地址選擇開關,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與數據密集型系統相對應. 比如, 規模同為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,對于組合電路較復雜的設計,宜采用顆粒較粗的CPLD ,觸發器較多的設計,宜采用用細顆粒的FPGA.
  (3)  使用方便性: 使用方便首先要考慮性能的可預測性,在這點上CPLD 優于FPGA. 對于CPLD ,通常只要輸入、輸出端口數,內部門和觸發器數目不超過芯片的資源并有一定裕量,總是可以實現的. 而FPGA ,則很難預測,因為完成設計所需的CLB 邏輯級數是無法事實確定的,只有靠多次試驗才能得到滿意的結果.
  (4)  編程技術: 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,斷電后數據易丟失. CPLD 采用最佳的E2CMOS 技術。
  盡管FPGA和CPLD都是可編程ASIC器件,有很多共同特點,但由于CPLD和FPGA結構上的差異,具有各自的特點:
  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更適合于觸發器豐富的結構,而CPLD更適合于觸發器有限而乘積項豐富的結構。
  ②CPLD的連續式布線結構決定了它的時序延遲是均勻的和可預測的,而FPGA的分段式布線結構決定了其延遲的不可預測性。
  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連電路的邏輯功能來編程,FPGA主要通過改變內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,具有更復雜的布線結構和邏輯實現。
  ⑤CPLD比FPGA使用起來更方便。CPLD的編程采用E2PROM或FASTFLASH技術,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,使用方法復雜。
  ⑥CPLD的速度比FPGA快,并且具有較大的時間可預測性。這是由于FPGA是門級編程,并且CLB之間采用分布式互聯,而CPLD是邏輯塊級編程,并且其邏輯塊之間的互聯是集總式的。
  ⑦在編程方式上,CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存儲器編程,編程次數可達1萬次,優點是系統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編程兩類。FPGA大部分是基于SRAM編程,編程信息在系統斷電時丟失,每次上電時,需從器件外部將編程數據重新寫入SRAM中。其優點是可以編程任意次,可在工作中快速編程,從而實現板級和系統級的動態配置。
  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邏輯結構較復雜,并具有復雜的I/O單元互連結構,可由用戶根據需要生成特定的電路結構,完成一定的功能。由于 CPLD內部采用固定長度的金屬線進行各邏輯塊的互連,所以設計的邏輯電路具有時間可預測性,避免了分段式互連結構時序不完全預測的缺點。到90年代, CPLD發展更為迅速,不僅具有電擦除特性,而且出現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。可編程邏輯功能塊是實現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;可編程內部互連包括各種長度的連線線段和一些可編程連接開關,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??腇PGA在可編程邏輯塊的規模,內部互連線的結構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。電路設計工程師設計一個電路首先要確定線路,然后進行軟件模擬及優化,以確認所設計電路的功能及性能。然而隨著電路規模的不斷增大,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就可以實現硬件仿真以做成模型機。將軟件模擬后的線路經一定處理后下載到FPGA,就可容易地得到一個模型機,從該模型機,設計者就很直觀地測試其邏輯功能及性能指標。

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