CPLDFPGA比较.docx

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CPLDFPGA比较

CPLD&FPGA性能分析比较

在进行这次分析前，首先来一起认识下CPLD与FPGA。

Ⅰ.

1）.什么是CPLD?

  CPLD发展历史及应用领域：

20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。

其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。

为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD。

目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。

2）.器件特点：

它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。

几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。

CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。

3）如何使用：

CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。

其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

这里以抢答器为例讲一下它的设计（装修）过程，即芯片的设计流程。

CPLD的工作大部分是在电脑上完成的。

打开集成开发软件（Altera公司Max+pluxII）→画原理图、写硬件描述语言（VHDL，Verilog）→编译→给出逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确→进行管脚输入、输出锁定（7128的64个输入、输出管脚可根据需要设定）→生成代码→通过下载电缆将代码传送并存储在CPLD芯片中。

7128这块芯片各管脚已引出，将数码管、抢答开关、指示灯、蜂鸣器通过导线分别接到芯片板上，通电测试，当抢答开关按下，对应位的指示灯应当亮，答对以后，裁判给加分后，看此时数码显示加分结果是否正确，如发现有问题，可重新修改原理图或硬件描述语言，完善设计。

设计好后，如批量生产，可直接复制其他CPLD芯片，即写入代码即可。

如果要对芯片进行其它设计，比如进行交通灯设计，要重新画原理图、或写硬件描述语言，重复以上工作过程，完成设计。

这种修改设计相当于将房屋进行了重新装修，这种装修对CPLD来说可进行上万次。

4）.家庭成员：

经过几十年的发展，许多公司都开发出了CPLD可编程逻辑器件。

比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品，这里给出常用芯片：

AlteraEPM7128S（PLCC84）

LatticeLC4128V（TQFP100）

XilinxXC95108（PLCC84）

Ⅱ.

1）.什么是FPGA：

    FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑PAL（ProgrammableArrayLogic）、门阵列逻辑GAL（GateArrayLogic）、可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogicDevice）等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。

FPGA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*性。

PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了电子设计自动化EDA（ElectronicDesignAutomatic）软件和硬件描述语言VHDL（Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescription）的进步。

2）.FPGA的特点 

    FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。

兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。

与门阵列等其它ASIC相比，它又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。

几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA 

   FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

FPGA的基本特点主要有：

一是采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

   二是FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

   三是FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

   四是FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

   五是FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

    可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可*性的最佳选择之一。

目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。

当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。

这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。

因此，FPGA的使用非常灵活。

FPGA有多种配置模式：

并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程

3）.FPGA与ASIC、CPLD

   1、FPGA和ASIC的比较

    ASIC是英文的ApplicationSpecificIntegratedCircuits缩写，即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。

目前用CPLD（复杂可编程逻辑器件）和FPGA（现场可编程逻辑阵列）来进行ASIC设计是最为流行的方式之一，它们的共性是都具有用户现场可编程特性，都支持边界扫描技术，但两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。

ASIC的特点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更小、重量更轻、功耗更低、可*性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

FPGA特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易的由ASIC实现，因此开发风险也大为降低。

但ASIC也有它固有的优势，芯片可以获得最优的性能，即面积利用率高、速度快、功耗低，批量成本低，所以在今后一段时间内ASIC仍然会占据高端芯片市场和大批量应用的成熟中低端市场。

    2、FPGA与CPLD的比较

    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：

    一是ＣＰＬＤ更适合完成各种算法和组合逻辑,ＦＰＧＡ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。

    二是ＣＰＬＤ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。

    三是在编程上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;ＦＰＧＡ可在逻辑门下编程,而ＣＰＬＤ是在逻辑块下编程。

    四是ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。

    五是ＣＰＬＤ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。

    六是ＰＬＤ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。

    七是在编程方式上,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。

   八是ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。

   九是一般情况下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度越高越明显

Ⅲ.

在此做下简要介绍：

什么是I/O单元？

I/O单元为内部信号到I/O引脚的接口部分。

以CPLD为例：

CPLD只有几个专用输入端，大部分为I/O端口，系统输入信号常常需要锁存，因此I/O常用作独立单元来处理。

其组成包括：

输出极性转换电路，触发器，输出三态缓冲器及相关选择电路。

I/O控制模块：

1.与RAL兼容的控制模块；

2.与GAL兼容的控制模块——输出宏单元（OMC）；

3.触发器可编程控制模块；

4.两路积项和输入与两个触发器的I/O控制模块；

5.三路积项和输入与两个触发器的I/O控制模块；

Ⅳ.

CPLD和FPGA的优点：

    1、规模越来越大，实现功能越来越强，同时可以实现系统集成。

    2、研制开发费用低，不承担投片风险，使用方便。

    3、通过开发工具在计算机上完成设计，电路设计周期短。

    4、不需要设计人员了解很深的IC知识，EDA软件易学易用。

    5、通过FPGA和CPLD开发的系统成熟后，可以进行ASIC设计，形成批量生产。

CPLD和FPGA的主要区别：

    1、布线能力CPLD内连率高，不需要人工布局布线来优化速度和面积，较FPGA更适合于EDA芯片设计的可编程验证。

    2、延迟小预测能力CPLD连续式布线结构决定时序延时是均匀的和可预测的，FPGA分段式布线结构决定了不可预测时间延迟。

    3、集成度的不同CPLD：

500~50000门；FPGA：

1K~10M门

    4、应用范围的不同CPLD逻辑能力强而寄存器少，适用于控制密集型系统；FPGA逻辑能力较弱但寄存器多，适于数据密集型系统。

Ⅴ.

接下来一起来认识下主要的供应厂商。

Xilinx公司简介：

Xilinx公司1985年推出第一片百万门Virtex系列FPGA，成为最早推出FPGA产品的厂商，它始终占据FPGA市场的主流地位。

其主要产品型号：

XC9500/4000Coolrunner（XPLA3）

Spartan

Vertex

主要的开发软件包括：

Foundation&ISE

Altera公司简介：

自二十年前发明世界上第一个可编程逻辑器件开始，Altera公司（NASDAQ：

ALTR）秉承了创新的传统，是世界上“可编程芯片系统”（SOPC）解决方案倡导者。

Altera结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权（IP）和技术服务，在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。

公司与1999年推出APEX20K，成为世界上最大的PLD供应商之一。

其主要产品型号：

MAX3000A

MAX7000

FLEX6K

FLEX10K

APEX20K

ACEX20K

主要的开发软件包括：

Quartas,MAX-plus2

其它生产厂商包括：

Actel在产品结构上不同于其它公司的Sea-Of-Gate的模式，公司是“反熔丝”PLD领导者。

Lattice公司为半导体器件公司，是E2CMOS技术的开拓者。

Atmel

Cypress

Quicklogic

AMD

Lucent

ClearLogic

WSI

TI等。

Ⅵ.

目前世界上欧洲用Xilinx公司产品的占多数，日本及亚太用Altera公司产品的占多数，在美国两个公司的市场份额平分秋色。

FPGA兼容MPGA与PLD二者优点。

但是门阵列需要掩模编程，成本高，风险大，除非设计非常纯熟以及生产批量极大时才会使用。

因此初步认识后建议使用CPLD，其相比较其FPGA具有使用方便，信号传输快，适合各种算法以及组合逻辑，同时具有时序延迟可预测性，并且保密性好等优点。

最看重的是它的断电信息不丢失能力（FPGA断电重新启动后需要重新写入SRAM），以及CPLD本身具备I/O数目多的优势，根据不同需要，最高I/O比例可高达70％。

以上只是对两类器件的初步认识，在这一周时间里会更加完善对它们的评价，并作出份合适的报告上交。

学员：

胡振东

工号：

1866

日期：

2007.9.10