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作者：winthony CPLD和FPGA都是我們經(jīng)常會(huì)用到的器件。有的說有配置芯片的是FPGA，沒有的是CPLD;有的說邏輯資源多的是FPGA，少的是CPLD;有的直接就不做區(qū)分，把他們都叫做FPGA。那么兩者到底有什么區(qū)別呢?下面我們就以Altera公司的CPLD和FPGA為例來說說兩者的區(qū)別。 首先我們看一下CPLD的芯片結(jié)構(gòu)，搞清楚CPLD是由哪幾部分組成的。下圖是MAX系列CPLD的芯片結(jié)構(gòu)圖： 
從圖中可以清楚的看出來CPLD主要由三部分組成：Macro cell(宏單元)，PIA(可編程連線)，和IO Control Block(IO控制塊)。每個(gè)宏單元都與GCLK(全局時(shí)鐘)OE(輸出使能)GCLR(清零)等控制信號(hào)直接相連，并且延時(shí)相同。各宏單元之間也由固定長度的金屬線互連，這樣保證邏輯電路的延時(shí)固定。其中宏單元模塊是CPLD的邏輯功能實(shí)現(xiàn)單元，是器件的基本單元，我們設(shè)計(jì)的邏輯電路就是由宏單元具體實(shí)現(xiàn)的。下面我們再來看看宏單元的具體結(jié)構(gòu)：
一個(gè)宏單元主要包括了LAB Local Array(邏輯陣列)，Product-Term Select Matrix(乘積項(xiàng)選擇矩陣)和一個(gè)可編程D觸發(fā)器組成。其中邏輯陣列的每一個(gè)交叉點(diǎn)都可以通過編程實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通從而實(shí)現(xiàn)與邏輯，乘積項(xiàng)選擇矩陣可實(shí)現(xiàn)或邏輯。這兩部分協(xié)同工作，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的組合邏輯。輸出可以選擇通過D觸發(fā)器，也可以對觸發(fā)器進(jìn)行旁路。通過這個(gè)結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，CPLD非常適合實(shí)現(xiàn)組合邏輯，再配合后面的觸發(fā)器也能夠?qū)崿F(xiàn)一定的時(shí)序邏輯。 我們再來以cyclone系列為例看看FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：
FPGA內(nèi)部主要就是由LAB單元，連線和IO單元組成。一個(gè)LAB單元又包含若干個(gè)LE模塊。LE模塊是Cyclone FPGA的基本邏輯單元，下圖是LE模塊的具體結(jié)構(gòu)：
初看上去好像比較復(fù)雜，其實(shí)最主要的部分就是LUT查找表模塊，以及后面的D觸發(fā)器。其他都是一些清零進(jìn)位旁路等等控制信號(hào)邏輯。也就是說查找表是FPGA最根本的邏輯單元。Cyclone FPGA使用的是4輸入LUT查找表。我們設(shè)計(jì)的邏輯電路最終都是通過EDA工具把所有可能的結(jié)果計(jì)算出來然后儲(chǔ)存在查找表里面。每次根據(jù)輸入信號(hào)查找對應(yīng)的結(jié)果，然后輸出就可以了。也就是說FPGA的工作更像是一個(gè)RAM，根據(jù)不同的輸入信號(hào)(地址)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 通過上面的結(jié)構(gòu)圖比較我們就可以清楚的看出來CPLD是由實(shí)實(shí)在在的組合電路組成的，而FPGA說到底就是一個(gè)巨大的查找表!也正是這個(gè)根本的差異造成了CPLD和FPGA各方面的不同。除了Altera以外，主要的CPLD和FPGA生產(chǎn)廠商還有Xilinx，Actel，Lattice以及Atmel等。各家公司的產(chǎn)品各有特點(diǎn)，在架構(gòu)上會(huì)略有區(qū)別，但基本原理都是相同的。下面我們整理一下CPLD和FPGA的主要區(qū)別： 1) CPLD的邏輯陣列更適合可重復(fù)編程的EEPROM或Flash技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。而FPGA顯然是利用SRAM技術(shù)更合適。 2) 由于是EEPROM或者Flash工藝決定了CPLD是有一定的擦寫次數(shù)限制的。而FPGA在實(shí)際使用中幾乎可以說是無配置次數(shù)限制。 3) CPLD由于采用的是EEPROM或者Flash工藝所以配置掉電后不丟失，也就不需要外掛配置芯片。而FPGA采用的是SRAM工藝，配置在掉電后就沒有了，因此需要一個(gè)外部配置芯片。 4) CPLD的安全性更高。由于配置芯片的存在，F(xiàn)PGA的保密性就會(huì)比CPLD略差。邏輯數(shù)據(jù)有可能被讀取。(當(dāng)然FPGA芯片會(huì)有一定的加密措施) 5) CPLD由于不需要上電重新配置，所以上電后可以馬上工作。而FPGA上電后需要配置時(shí)間，邏輯量的大小配置方式的區(qū)別也會(huì)影響配置時(shí)間的長短。 6) 由于CPLD的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)，決定了它的時(shí)序延時(shí)是均勻和固定的。而FPGA采用的分段式布線結(jié)構(gòu)造成了延時(shí)不固定。 7) 由于工藝難度的差異，CPLD一般集成度較低，大多為幾千門或幾萬門的芯片規(guī)模，做到幾十萬門已經(jīng)很困難。而FPGA基于SRAM工藝，集成度更高，可以輕松做到幾十萬門甚至幾百萬門的芯片規(guī)模，最新的FPGA產(chǎn)品已經(jīng)接近千萬門的規(guī)模。 8) 同樣由于結(jié)構(gòu)的差異，CPLD更適合完成的是復(fù)雜的組合邏輯，如編、譯碼的工作。而FPGA更適合做復(fù)雜的時(shí)序邏輯。換句話說就是FPGA更適合觸發(fā)器豐富的邏輯結(jié)構(gòu)，CPLD適合于觸發(fā)器有限但是乘積項(xiàng)豐富的邏輯結(jié)構(gòu)。 9) 也是由于工藝的原因，一般CPLD會(huì)比FPGA的功耗高。 當(dāng)然以上只是CPLD和FPGA通常意義上的區(qū)別，技術(shù)是在不斷發(fā)展中的，這些差異也不能一概而論。隨著技術(shù)的發(fā)展，CPLD和FPGA也在不斷的更新當(dāng)中。 Altera在Stratix III 系列FPGA以后的產(chǎn)品中調(diào)整了LE的結(jié)構(gòu)，如下圖：
從原來的一個(gè)4輸入查找表加D觸發(fā)器變成了兩個(gè)6輸入查找表加兩個(gè)D觸發(fā)器。再進(jìn)一步細(xì)化查找表的結(jié)構(gòu)圖如下：
一個(gè)6輸入查找表又可以細(xì)分為一個(gè)4輸入查找表和兩個(gè)3輸入查找表。無論結(jié)構(gòu)怎么變，只是出于對資源優(yōu)化利用考慮的改變，基本的LUT查找表方式?jīng)]有變。但是新出的MAX II系列和MAX V 系列CPLD則從根本上模糊了CPLD和FPGA的區(qū)別。通過閱讀芯片手冊我們可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)系列的CPLD雖然名字沒有變，但是架構(gòu)已經(jīng)完全是與FPGA相同的系統(tǒng)架構(gòu)了，最小單元也變成了LUT查找表，宏單元已經(jīng)消失不見了。也許和CPLD還能搭上關(guān)系的就是兩個(gè)系列把配置電路集成到了芯片當(dāng)中，在實(shí)際使用中和原有的CPLD保持了相同的使用習(xí)慣。可以說兩個(gè)系列的產(chǎn)品已經(jīng)是披著CPLD外衣的FPGA了。 從技術(shù)的延續(xù)性上來看，可編程器件技術(shù)大致經(jīng)歷了PROM-PLA-PAL-GAL-EPLD-CPLD和FPGA的發(fā)展過程，CPLD和FPGA是兩個(gè)不同的發(fā)展分支。生產(chǎn)廠商似乎在模糊CPLD和FPGA之間的區(qū)別。也許以后只剩下名字的區(qū)別，兩者會(huì)統(tǒng)一成一類器件，或者又會(huì)出現(xiàn)更新的技術(shù)作為替代。無論技術(shù)如何演進(jìn)，作為工程師而言，我們要做的就是去把握每種器件的原理，優(yōu)缺點(diǎn)和適用場景，然后在實(shí)際的項(xiàng)目中正確選擇，靈活使用。 |
