CPLD与FPGA的用途及区别

2011-12-27 12:48:40来源: 互联网

FPGA/CPLD能做什么呢?

   可以毫不夸张的讲,FPGA/CPLD能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74电路,都可以用FPGA/CPLD来实现。

FPGA/CPLD如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后,还可以利用FPGA/CPLD的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。

使用FPGA/CPLD来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。

FPGA/CPLD还可以做数字IC设计的前端验证,用这种方式可以很大程度上降低IC设计的成本。

FPGA/CPLD的这些优点使得FPGA/CPLD技术在90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言(HDL)的进步。

FPGA/CPLD有什么区别呢?

1)各个厂家叫法不尽相同:

PLD(Programmable Logic Device)是可编程逻辑器件的总称,早期多EEPROM工艺,基于乘积项(Product Term)结构。

FPGA (Field Programmable Gate Arry)是指现场可编程门阵列,最早由Xilinx公司发明。多为SRAM 工艺,基于查找表(Look Up Table)结构,要外挂配置用的EPROM。

Xilinx把SRAM工艺,要外挂配置用的EPROM的PLD叫FPGA,把Flash工艺(类似EEPROM工艺),乘积项结构的PLD叫CPLD;

Altera把自己的PLD产品:MAX系列(EEPROM工艺),FLEX/ACEX/APEX系列(SRAM工艺)都叫作CPLD,即复杂PLD(Complex PLD)。

由于FLEX/ACEX/APEX系列也是SRAM工艺,要外挂配置用的EPROM,用法和Xilinx的FPGA一样,所以很多人把Altera的FELX/ACEX/APEX系列产品也叫做FPGA.

2)结构上的主要区别

逻辑块的粒度不同

逻辑块指PLD 芯片中按结构划分的功能模块,它有相对独立的组合逻辑阵列,块间靠互连系统联系.FPGA 中的CLB 是逻辑块,其特点是粒度小,输入变量为4~8 ,输出为1~2 ,因而只是一个逻辑单元,每块芯片中有几十到近千个这样的单元. CPLD中逻辑块粒度较大,通常有数十个输入端和一、二十个输出端,每块芯片只分成几块. 有些集成度较低的(如ATV2500) 则干脆不分块. 显然,如此粗大的分块结构使用时不如FPGA 灵活.

逻辑之间的互连结构不同

CPLD 的逻辑块互连是集总式的,其特点是等延时,任意两块之间的延时是相等的,这种结构给设计者带来很大方便; FPGA 的互连则是分布式的,其延时与系统的布局有关,

3)应用范围也有所不同

逻辑系统通常可分两大类型:

1、逻辑密集型: 如高速缓存控制、DRAM 控制和DMA 控制等,它们仅需要很少的数据处理能力,但逻辑关系一般都复杂

2、数据密集型: 数据密集型需要大量数据处理能力,其应用多见于通讯领域.

为了选择合适的PLD 芯片,应从速度与性能、逻辑利用率、使用方便性、编程技术等方面进行考查。

速度与性能:

数据密集型系统,比如,通讯中对信号进行处理的二维卷积器. 在实现这一算法的逻辑系统中,每个单元所需要的输入端较少,但需要很多这样的逻辑单元. 这些要求与FPGA 的结构相吻合. 因为FPGA 的粒度小,其输入到输出的传输延迟时间很短,因而能获得高的单元速度.而控制密集型系统通常是输入密集型的,逻辑复杂,CLB 的输入端往往不够用,需把多个CLB 串行级联使用,同时CLB 之间的连接有可能通过多级通用PI 或长线,导致速度急剧下降. 因而实际的传输延迟时间要大CPLD. 比如,实现一个DRAM 控制器,它由四个功能块组成:刷新状态机、刷新地址计数器、刷新定时器和地址选择开关,需要的输入端有几十个,显然用CPLD 更合适.

逻辑利用率:

逻辑利用率是指器件中资源被利用的程度. CPLD 逻辑寄存器少,FPGA 逻辑弱而寄存器多,这正好与控制密集型系统与数据密集型系统相对应. 比如, 规模同为6000PLD 门的is2pLSI1032 有192 个寄存器;而XC4005E 有616 个寄存器. 因此从逻辑利用率角度,对于组合电路较复杂的设计,宜采用颗粒较粗的CPLD ,触发器较多的设计,宜采用用细颗粒的FPGA.

(3)  使用方便性: 使用方便首先要考虑性能的可预测性,在这点上CPLD 优于FPGA. 对于CPLD ,通常只要输入、输出端口数,内部门和触发器数目不超过芯片的资源并有一定裕量,总是可以实现的. 而FPGA ,则很难预测,因为完成设计所需的CLB 逻辑级数是无法事实确定的,只有靠多次试验才能得到满意的结果.

(4)  编程技术: FPGA 编程信息存放在外部存储器,要附加存储器芯片,其保密性差,断电后数据易丢失. CPLD 采用最佳的E2CMOS 技术。

尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件,有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异,具有各自的特点:
①CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FP GA更适合于完成时序逻辑。换句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。

②CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。

③在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FP GA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。

④FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。

⑤CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM或FASTFLASH技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。

⑥CPLD的速度比FPGA快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程,并且CLB之间采用分布式互联,而CPLD是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。

⑦在编程方式上,CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。

⑧CPLD保密性好,FPGA保密性差。

⑨一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明显。

1.CPLD

CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(LMC,Logic Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成,其中LMC逻辑结构较复杂,并具有复杂的I/O单元互连结构,可由用户根据需要生成特定的电路结构,完成一定的功能。由于 CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连,所以设计的逻辑电路具有时间可预测性,避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。到90年代, CPLD发展更为迅速,不仅具有电擦除特性,而且出现了边缘扫描及在线可编程等高级特性。较常用的有Xilinx公司的EPLD和Altera公司的 CPLD。

2. FPGA

FPGA通常包含三类可编程资源:可编程逻辑功能块、可编程I/O块和可编程互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元,它们通常排列成一个阵列,散布于整个芯片;可编程I/O块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口,常围绕着阵列排列于芯片四周;可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关,它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起矗?钩商囟üδ艿牡缏贰2煌?Ъ疑??腇PGA在可编程逻辑块的规模,内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。较常用的有Altera、Xinlinx和Actel公司的FPGA。FPGA一般用于逻辑仿真。电路设计工程师设计一个电路首先要确定线路,然后进行软件模拟及优化,以确认所设计电路的功能及性能。然而随着电路规模的不断增大,工作频率的不断提高,将会给电路引入许多分布参数的影响,而这些影响用软件模拟的方法较难反映出来,所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以实现硬件仿真以做成模型机。将软件模拟后的线路经一定处理后下载到FPGA,就可容易地得到一个模型机,从该模型机,设计者就很直观地测试其逻辑功能及性能指标。

关键字:FPGA

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/1227/article_2771.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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