系統(tǒng)的比較：
盡管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可編程ＡＳＩＣ器件,有很多共同特點(diǎn),但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ結(jié)構(gòu)上的差異,具有各自的特點(diǎn):
①ＣＰＬＤ更適合完成各種算法和組合邏輯,ＦＰ ＧＡ更適合于完成時(shí)序邏輯。換句話說,ＦＰＧＡ更適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu),而ＣＰＬＤ更適合于觸發(fā)器有限而乘積項(xiàng)豐富的結(jié)構(gòu)。
②ＣＰＬＤ的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了它的時(shí)序延遲是均勻的和可預(yù)測的,而ＦＰＧＡ的分段式布線結(jié)構(gòu)決定了其延遲的不可預(yù)測性。
③在編程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的靈活性。ＣＰＬＤ通過修改具有固定內(nèi)連電路的邏輯功能來編程,ＦＰＧＡ主要通過改變內(nèi)部連線的布線來編程;ＦＰ ＧＡ可在邏輯門下編程,而ＣＰＬＤ是在邏輯塊下編程。
④ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實(shí)現(xiàn)。
⑤ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起來更方便。ＣＰＬＤ的編程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技術(shù),無需外部存儲器芯片,使用簡單。而ＦＰＧＡ的編程信息需存放在外部存儲器上,使用方法復(fù)雜。
⑥ＣＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快,并且具有較大的時(shí)間可預(yù)測性。這是由于ＦＰＧＡ是門級編程,并且ＣＬＢ之間采用分布式互聯(lián),而ＣＰＬＤ是邏輯塊級編程,并且其邏輯塊之間的互聯(lián)是集總式的。
⑦在編程方式上,ＣＰＬＤ主要是基于Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ存儲器編程,編程次數(shù)可達(dá)1萬次,優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)斷電時(shí)編程信息也不丟失。ＣＰＬＤ又可分為在編程器上編程和在系統(tǒng)編程兩類。ＦＰＧＡ大部分是基于ＳＲＡＭ編程,編程信息在系統(tǒng)斷電時(shí)丟失,每次上電時(shí),需從器件外部將編程數(shù)據(jù)重新寫入ＳＲＡＭ中。其優(yōu)點(diǎn)是可以編程任意次,可在工作中快速編程,從而實(shí)現(xiàn)板級和系統(tǒng)級的動態(tài)配置。
⑧ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。
⑨一般情況下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度越高越明顯。
隨著復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)密度的提高,數(shù)字器件設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行大型設(shè)計(jì)時(shí),既靈活又容易,而且產(chǎn)品可以很快進(jìn)入市場。許多設(shè)計(jì)人員已經(jīng)感受到CPLD容易使用、時(shí)序可預(yù)測和速度高等優(yōu)點(diǎn),然而,在過去由于受到CPLD密度的限制,他們只好轉(zhuǎn)向FPGA和ASIC�，F(xiàn)在,設(shè)計(jì)人員可以體會到密度高達(dá)數(shù)十萬門的CPLD所帶來的好處。CPLD結(jié)構(gòu)在一個(gè)邏輯路徑上采用1至16個(gè)乘積項(xiàng),因而大型復(fù)雜設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度可以預(yù)測。因此,原有設(shè)計(jì)的運(yùn)行可以預(yù)測,也很可靠,而且修改設(shè)計(jì)也很容易。CPLD在本質(zhì)上很靈活、時(shí)序簡單、路由性能極好,用戶可以改變他們的設(shè)計(jì)同時(shí)保持引腳輸出不變。與FPGA相比,CPLD的I/O更多,尺寸更小。
如今,通信系統(tǒng)使用很多標(biāo)準(zhǔn),必須根據(jù)客戶的需要配置設(shè)備以支持不同的標(biāo)準(zhǔn)。CPLD可讓設(shè)備做出相應(yīng)的調(diào)整以支持多種協(xié)議,并隨著標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的演變而改變功能。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來很大的方便,因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)尚未完全成熟之前他們就可以著手進(jìn)行硬件設(shè)計(jì),然后再修改代碼以滿足最終標(biāo)準(zhǔn)的要求。CPLD的速度和延遲特性比純軟件方案更好,它的NRE費(fèi)用低於ASIC,更靈活,產(chǎn)品也可以更快入市。CPLD可編程方案的優(yōu)點(diǎn)如下：●邏輯和存儲器資源豐富(Cypress Delta39K200的RAM超過480 Kb)
●帶冗余路由資源的靈活時(shí)序模型
●改變引腳輸出很靈活
●可以裝在系統(tǒng)上后重新編程
●I/O數(shù)目多
●具有可保證性能的集成存儲器控制邏輯
●提供單片CPLD和可編程PHY方案
由于有這些優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)建模成本低,可在設(shè)計(jì)過程的任一階段添加設(shè)計(jì)或改變引腳輸出,可以很快上市
CPLD是屬於粗粒結(jié)構(gòu)的可編程邏輯器件。它具有豐富的邏輯資源(即邏輯門與寄存器的比例高)和高度靈活的路由資源。CPLD的路由是連接在一起的,而FPGA的路由是分割開的。FPGA可能更靈活,但包括很多跳線,因此速度較CPLD慢。
CPLD以群陣列（array of clusters）的形式排列,由水平和垂直路由通道連接起來。這些路由通道把信號送到器件的引腳上或者傳進(jìn)來,并且把CPLD內(nèi)部的邏輯群連接起來。
CPLD之所以稱作粗粒,是因?yàn)?與路由數(shù)量相比,邏輯群要大得到。CPLD的邏輯群比FPGA的基本單元大得多,因此FPGA是細(xì)粒的。
CPLD最基本的單元是宏單元。一個(gè)宏單元包含一個(gè)寄存器(使用多達(dá)16個(gè)乘積項(xiàng)作為其輸入)及其它有用特性。
因?yàn)槊總�(gè)宏單元用了16個(gè)乘積項(xiàng),因此設(shè)計(jì)人員可部署大量的組合邏輯而不用增加額外的路徑。這就是為何CPLD被認(rèn)為是“邏輯豐富”型的。
宏單元以邏輯模塊的形式排列(LB),每個(gè)邏輯模塊由16個(gè)宏單元組成。宏單元執(zhí)行一個(gè)AND操作,然后一個(gè)OR操作以實(shí)現(xiàn)組合邏輯。
每個(gè)邏輯群有8個(gè)邏輯模塊,所有邏輯群都連接到同一個(gè)可編程互聯(lián)矩陣。
每個(gè)群還包含兩個(gè)單端口邏輯群存儲器模塊和一個(gè)多端口通道存儲器模塊。前者每模塊有8,192b存儲器,后者包含4,096b專用通信存儲器且可配置為單端口、多端口或帶專用控制邏輯的FIFO。
I/O數(shù)量多
CPLD的好處之一是在給定的器件密度上可提供更多的I/O數(shù),有時(shí)甚至高達(dá)70%。
時(shí)序模型簡單
CPLD優(yōu)于其它可編程結(jié)構(gòu)之處在于它具有簡單且可預(yù)測的時(shí)序模型。這種簡單的時(shí)序模型主要應(yīng)歸功于CPLD的粗粒度特性。
CPLD可在給定的時(shí)間內(nèi)提供較寬的相等狀態(tài),而與路由無關(guān)。這一能力是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵,不但可加速初始設(shè)計(jì)工作,而且可加快設(shè)計(jì)調(diào)試過程。
CPLD是粗粒結(jié)構(gòu),這意味著進(jìn)出器件的路徑經(jīng)過較少的開關(guān),相應(yīng)地延遲也小。因此,與等效的FPGA相比,CPLD可工作在更高的頻率,具有更好的性能。
CPLD的另一個(gè)好處是其軟件編譯快,因?yàn)槠湟子诼酚傻慕Y(jié)構(gòu)使得布放設(shè)計(jì)任務(wù)更加容易執(zhí)行。
細(xì)粒FPGA結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)
FPGA是細(xì)粒結(jié)構(gòu),這意味著每個(gè)單元間存在細(xì)粒延遲。如果將少量的邏輯緊密排列在一起,FPGA的速度相當(dāng)快。然而,隨著設(shè)計(jì)密度的增加,信號不得不通過許多開關(guān),路由延遲也快速增加,從而削弱了整體性能。CPLD的粗粒結(jié)構(gòu)卻能很好地適應(yīng)這一設(shè)計(jì)布局的改變。
靈活的輸出引腳
CPLD的粗粒結(jié)構(gòu)和時(shí)序特性可預(yù)測,因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)流程的后期仍可以改變輸出引腳,而時(shí)序仍保持不變。
為什么CPLD和FPGA需要不同的邏輯設(shè)計(jì)技巧？
FPGA是細(xì)粒器件,其基本單元和路由結(jié)構(gòu)都比CPLD的小。FPGA是“寄存器豐富”型的(即其寄存器與邏輯門的比例高),而CPLD正好相反,它是“邏輯豐富”型的。
很多設(shè)計(jì)人員偏愛CPLD是因?yàn)樗唵我子煤透咚俚膬?yōu)點(diǎn)。CPLD更適合邏輯密集型應(yīng)用,如狀態(tài)機(jī)和地址解碼器邏輯等。而FPGA則更適用于CPU和DSP等寄存器密集型設(shè)計(jì)。
新的CPLD封裝
CPLD有多種密度和封裝類型,包括單芯片自引導(dǎo)方案。自引導(dǎo)方案在單個(gè)封裝內(nèi)集成了FLASH存儲器和CPLD,無須外部引導(dǎo)單元,從而可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性并節(jié)省板空間。在給定的封裝尺寸內(nèi),有更高的器件密度共享引腳輸出。這就為設(shè)計(jì)人員提供了“放大”設(shè)計(jì)的便利,而無須更改板上的引腳輸出。
與同樣密度的FPGA相比,CPLD的待機(jī)功耗更低。
CPLD FPGA （待機(jī)電流（在Vcc 為1.8V時(shí)））
50K 300μA 200mA
100K 600μA 200mA
200K 1.25mA 300mA
CPLD特別適合那些要求低功耗和低溫度的電池供電應(yīng)用,像手持設(shè)備。
許多設(shè)計(jì)人員都熟悉傳統(tǒng)的PLD,并喜歡這種結(jié)構(gòu)所固有的靈活性和易用性。CPLD為ASIC和FPGA設(shè)計(jì)人員提供了一種很好的替代方案,可讓他們以更簡單、方便易用的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)。CPLD現(xiàn)已達(dá)到數(shù)十萬門的密度,并可提供當(dāng)今通信設(shè)計(jì)所需的高性能。大于50萬門的設(shè)計(jì)仍需ASIC和FPGA,但對于小型設(shè)計(jì),CPLD不失為一個(gè)高性價(jià)比的替代方案。
FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念,內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：
1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路,用戶不需要投片生產(chǎn),就能得到合用的芯片。 ——2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。
3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。
4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。
5）FPGA采用高速CHMOS工藝,功耗低,可以與CMOS、TTL電平兼容。
可以說,FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。
目前FPGA的品種很多,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的,因此,工作時(shí)需要對片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式,采用不同的編程方式。
加電時(shí),FPGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中,配置完成后,FPGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后,FPGA恢復(fù)成白片,內(nèi)部邏輯關(guān)系消失,因此,FPGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器,只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí),只需換一片EPROM即可。這樣,同一片F(xiàn)PGA,不同的編程數(shù)據(jù),可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此,FPGA的使用非常靈活。
FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式;主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA;串行模式可以采用串行PROM編程FPGA;外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè),由微處理器對其編程。
