CPLD与FPGA的发展与应用之对比

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[导读] 可编程逻辑器件（PLD）给数字系统的设计带来了革命性的变化。他的影响丝毫不亚于20世纪70年代单片机的发明和使用，可以毫不夸张的讲，PLD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。使用PLD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。
关键词：数字通信系统CPLDFPGA

　　可编程逻辑器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）给数字系统的设计带来了革命性的变化。他的影响丝毫不亚于20世纪70年代单片机的发明和使用，可以毫不夸张的讲，PLD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。使用PLD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。PLD的这些优点使得PLD技术在20世纪90年代以后得到飞速的发展，成为电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术。
　　目前，这项技术PLD按其内部结构不同又延伸出两个分支，即复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）和现场可编程门阵列（FieldProgram-mableGateArray，FPGA），两者统称为可编程逻辑器件或CPLD/FPGA。
　　1 PLD发展过程
　　早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器（PROM）、紫外线可擦除只读存贮器（EPROM）和电可擦除只读存贮器（E2PROM）三种。由于结构的限制，他们只能完成简单的数字逻辑功能。
　　稍后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（PLD），他能够完成各种数字逻辑功能。这一阶段（大约20世纪70年代中期）的产品主要有可编程阵列逻辑（ProgrammableArrayLogic，PAL），PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，他的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和E2PROM技术。
　　20世纪80年代初期，在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑（GenericArrayLogic，GAL），他采用E2PROM工艺，实现了电可按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而他的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。
　　20世纪80年代中期，为了弥补上述缺陷，又先后推出了可擦除、可编程的逻辑器件（ErasableProgrammableLogicDevice，EPLD）。CPLD和FPGA，EPLD的集成度更高，设计更灵活，但内部连线功能较弱。
　　2 结构比较
　　不同厂家对PLD的叫法不尽相同，但一般来说，把基于乘积项技术，FLASH(＄44.9500)（类似E2PROM工艺）工艺的PLD叫CPLD;把基于查找表技术，SRAM工艺，要外挂配置E2PROM的PLD叫FPGA。下面从内部结构对2者进行比较。

　　2.1 基于乘积项的CPLD结构
　　以altera的MAX7000为例，其他型号的结构与此都非常相似，这种PLD结构可分为3块：宏单元（marocell），可编程连线阵列（ProgrammableInterconnectArray，PIA）和输入输出I/O控制块。宏单元是CPLD的基本结构，由他来实现基本的逻辑功能。

　　2.2 基于查找表的FPGA结构
　　以Altera的FLEX/ACEX为例，这种PLD结构主要包括逻辑阵列块（LogicArrayBlock，LAB），输入输出块（InputOutputElement，I/OE），随机存储器块（RandomAccessMemory，RAM未表示出）和可编程行/列连线。其中一个LAB包括8个逻辑单元（LogicElement，LE），每个LE包括一个LUT一个触发器和相关的相关逻辑。LE是FLEX/ACEX芯片实现逻辑的最基本结构。如图3所示。

　　由以上CPLD和FPGA的结构比较，可以看出CPLD的每个宏单元都类似PAL结构，一片CPLD又是N个宏单元的阵列集合，且其逻辑块互连具有集总式特点。FPGA的LAB的也是阵列排列，但是LAB之间是采用分布式互连方式，其基本单元LE的寻址进行的是一种逻辑门运算。
　　3 功能比较
　　尽管CPLD和FPGA都是PLD器件，有很多共同特点，但由于上节对CPLD和FPGA进行结构上比较的不同，在使用过程中仍然具有很大的差异。

　　（1）适合结构
　　一般认为CPLD是“逻辑丰富”型的，更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA是“时序丰富”型的，更适合于完成时序逻辑。换句话说，CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构，而FPGA更适合于触发器丰富的结构。
　　（2）运行速度
　　一般认为CPLD是“逻辑丰富”型的，更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA是“时序丰富”型的，更适合于完成时序逻辑。换句话说，CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构，而FPGA更适合于触发器丰富的结构。
　　（3）编程方式
　　目前的CPLD主要是基于E2PROM或FLASH(＄44.9500)存储器编程， 编程次数达1万次；FPGA大部分是基于SRAM编程其优点是可进行任意次数的编程，并可在工作中快速编程，实现板级和系统级的动态配置，因此可称为可重配置硬件。
　　4 CPLD/FPGA发展趋势
　　PLD在近20年的时间里已经得到了巨大的发展，在未来的发展中，将呈现以下几个方面的趋势：
　　（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0.13um，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5V→3.3V→.5V→1.8V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(＄3.6250)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Altrea公司于2000年对可编程片上系统（SystemOnProgrammableChip，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。