CPLD與FPGA的發(fā)展與應(yīng)用之對(duì)比 - 全文

　　可編程邏輯器件（ProgrammableLogicDevice，PLD）給數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的變化。他的影響絲毫不亞于20世紀(jì)70年代單片機(jī)的發(fā)明和使用，可以毫不夸張的講，PLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU，下至簡(jiǎn)單的74電路。使用PLD來(lái)開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。PLD的這些優(yōu)點(diǎn)使得PLD技術(shù)在20世紀(jì)90年代以后得到飛速的發(fā)展，成為電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)。

　　目前，這項(xiàng)技術(shù)PLD按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同又延伸出兩個(gè)分支，即復(fù)雜可編程邏輯器件（ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FieldProgram-mableGateArray，FPGA），兩者統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或CPLD/FPGA。

　　1 PLD發(fā)展過(guò)程

　　早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存貯器（PROM）、紫外線可擦除只讀存貯器（EPROM）和電可擦除只讀存貯器（E2PROM）三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，他們只能完成簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯功能。

　　稍后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件（PLD），他能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。這一階段（大約20世紀(jì)70年代中期）的產(chǎn)品主要有可編程陣列邏輯（ProgrammableArrayLogic，PAL），PAL由一個(gè)可編程的“與”平面和一個(gè)固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸出可以通過(guò)觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。PAL器件是現(xiàn)場(chǎng)可編程的，他的實(shí)現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和E2PROM技術(shù)。

　　20世紀(jì)80年代初期，在PAL的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一種通用陣列邏輯（GenericArrayLogic，GAL），他采用E2PROM工藝，實(shí)現(xiàn)了電可按除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而他的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性，至今仍有許多人使用。

　　20世紀(jì)80年代中期，為了彌補(bǔ)上述缺陷，又先后推出了可擦除、可編程的邏輯器件（ErasableProgrammableLogicDevice，EPLD）。CPLD和FPGA，EPLD的集成度更高，設(shè)計(jì)更靈活，但內(nèi)部連線功能較弱。

　　2 結(jié)構(gòu)比較

　　不同廠家對(duì)PLD的叫法不盡相同，但一般來(lái)說(shuō)，把基于乘積項(xiàng)技術(shù)，F(xiàn)LASH（類似E2PROM工藝）工藝的PLD叫CPLD;把基于查找表技術(shù)，SRAM工藝，要外掛配置E2PROM的PLD叫FPGA。下面從內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)2者進(jìn)行比較。

　　2.1 基于乘積項(xiàng)的CPLD結(jié)構(gòu)

　　以altera的MAX7000為例，其他型號(hào)的結(jié)構(gòu)與此都非常相似，這種PLD結(jié)構(gòu)可分為3塊：宏單元（marocell），可編程連線陣列（ProgrammableInterconnectArray，PIA）和輸入輸出I/O控制塊。宏單元是CPLD的基本結(jié)構(gòu)，由他來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的邏輯功能。

　　2.2 基于查找表的FPGA結(jié)構(gòu)

　　以Altera的FLEX/ACEX為例，這種PLD結(jié)構(gòu)主要包括邏輯陣列塊（LogicArrayBlock，LAB），輸入輸出塊（InputOutputElement，I/OE），隨機(jī)存儲(chǔ)器塊（RandomAccessMemory，RAM未表示出）和可編程行/列連線。其中一個(gè)LAB包括8個(gè)邏輯單元（LogicElement，LE），每個(gè)LE包括一個(gè)LUT一個(gè)觸發(fā)器和相關(guān)的相關(guān)邏輯。LE是FLEX/ACEX芯片實(shí)現(xiàn)邏輯的最基本結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

　　由以上CPLD和FPGA的結(jié)構(gòu)比較，可以看出CPLD的每個(gè)宏單元都類似PAL結(jié)構(gòu)，一片CPLD又是N個(gè)宏單元的陣列集合，且其邏輯塊互連具有集總式特點(diǎn)。FPGA的LAB的也是陣列排列，但是LAB之間是采用分布式互連方式，其基本單元LE的尋址進(jìn)行的是一種邏輯門運(yùn)算。

　　3 功能比較

　　盡管CPLD和FPGA都是PLD器件，有很多共同特點(diǎn)，但由于上節(jié)對(duì)CPLD和FPGA進(jìn)行結(jié)構(gòu)上比較的不同，在使用過(guò)程中仍然具有很大的差異。

　?。?）適合結(jié)構(gòu)

　　一般認(rèn)為CPLD是“邏輯豐富”型的，更適合完成各種算法和組合邏輯，F(xiàn)PGA是“時(shí)序豐富”型的，更適合于完成時(shí)序邏輯。換句話說(shuō)，CPLD更適合于觸發(fā)器有限而乘積項(xiàng)豐富的結(jié)構(gòu)，而FPGA更適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu)。

　?。?）運(yùn)行速度

　　一般認(rèn)為CPLD是“邏輯豐富”型的，更適合完成各種算法和組合邏輯，F(xiàn)PGA是“時(shí)序豐富”型的，更適合于完成時(shí)序邏輯。換句話說(shuō)，CPLD更適合于觸發(fā)器有限而乘積項(xiàng)豐富的結(jié)構(gòu)，而FPGA更適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu)。

　?。?）編程方式

　　目前的CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存儲(chǔ)器編程， 編程次數(shù)達(dá)1萬(wàn)次；FPGA大部分是基于SRAM編程其優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行任意次數(shù)的編程，并可在工作中快速編程，實(shí)現(xiàn)板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)配置，因此可稱為可重配置硬件。

　　4 CPLD/FPGA發(fā)展趨勢(shì)

　　PLD在近20年的時(shí)間里已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，在未來(lái)的發(fā)展中，將呈現(xiàn)以下幾個(gè)方面的趨勢(shì)：

　?。?） 向大規(guī)模、高集成度方向進(jìn)一步發(fā)展

　　當(dāng)前，PLD的規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了百萬(wàn)門級(jí)，在工藝上，芯片的最小線寬達(dá)到了0.13um，并且還會(huì)向著大規(guī)模、高集成度方向進(jìn)一步發(fā)展。

　?。?） 向低電壓、低功耗的方向發(fā)展

　　PLD的內(nèi)核電壓在不斷的降低，經(jīng)歷5V→3.3V→.5V→1.8V的演變，未來(lái)將會(huì)更低。工作電壓的降低使得芯片的功耗也大大減少，這樣就適應(yīng)了一些低功耗場(chǎng)合的應(yīng)用，比如移動(dòng)通信設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理等。

　?。?） 向高速可預(yù)測(cè)延時(shí)方向發(fā)展

　　由于在一些高速處理的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理量的激增要求數(shù)字系統(tǒng)有大的數(shù)據(jù)吞吐速率，比如對(duì)圖像信號(hào)的處理，這樣就對(duì)PLD的速度指標(biāo)提出了更高的要求;另外，為了保證高速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延時(shí)也是十分重要的。用戶在進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)的同時(shí)，擔(dān)心的是延時(shí)特性會(huì)不會(huì)因重新布線的改變而改變，如果改變，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定性，這對(duì)龐大而高速的系統(tǒng)而言將是不可想象的，帶來(lái)的損失也是巨大的。因此，為了適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜高速電子系統(tǒng)的要求，PLD的高速可預(yù)測(cè)延時(shí)也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

　　（4） 向數(shù)摸混合可編程方向發(fā)展

　　迄今為止，PLD的開發(fā)與應(yīng)用的大部分工作都集中在數(shù)字邏輯電路上，在未來(lái)幾年里，這一局面將會(huì)有所改變，模擬電路和數(shù)摸混合電路的可編程技術(shù)得到發(fā)展。目前的技術(shù)ISPPAC可實(shí)現(xiàn)3種功能：信號(hào)調(diào)整、信號(hào)處理和信號(hào)轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)整主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、衰減和濾波;信號(hào)處理是對(duì)信號(hào)進(jìn)行求和、求差和積分運(yùn)算;信號(hào)轉(zhuǎn)換則是指把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。EPAC芯片集中了各種模擬功能電路，如可編程增益放大器、可編程比較器、多路復(fù)用器、可編程A/D轉(zhuǎn)換器、濾波器和跟蹤保持放大器等。

　?。?） 向多功能、嵌入式模塊方向發(fā)展

　　現(xiàn)在，PLD內(nèi)已經(jīng)廣泛嵌入RAM/ROM，F(xiàn)IFO等存儲(chǔ)器模塊，這些嵌入式模塊可以實(shí)現(xiàn)更快的無(wú)延時(shí)的運(yùn)算與操作。特別是美國(guó)Altrea公司于2000年對(duì)可編程片上系統(tǒng)（SystemOnProgrammableChip，SOPC）的提出，使得以FPGA為物理載體、在單一的FPGA中實(shí)現(xiàn)包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速器系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、存儲(chǔ)電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)更是成為目前電子技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。