FPGA/CPLD简介

 

FPGA/CPLD简介

一、可编程逻辑器件主要有两个类型:

（一）、现场可编程门阵列（FPGA）（Field Programmable Gate Array）

（二）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）（Complex Programmable Logic Device）

二、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）、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。

（二）、由于内部布线结构，CPLD的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的延迟的不可预测性。（我们在用的时候不用考虑内部结构的布线问题）

（三）、在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。

（四）、FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。

（五）、CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM或FAST FLASH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，就是需要一些配置芯片。

（六）、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。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。

（七）、CPLD保密性好,FPGA保密性差。

（八）、一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大

三、FPGA的用途

FPGA被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储，以及到仪器仪表、电信和数字信号处理等。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/CPLD的应用领域：汽车、军事和航空航天、广播、测量和测试、消费类、有线或无线通信、工业、医疗等等。

四、CPLD/FPGA与MCU的比较

1、MCU（微处理器或单片机）面临的问题

由MCU为主构成的电子应用系统通常出现的问题可以分为两类：1类是技术类问题，如软件设计、接口器件的选择或康干扰措施应用等问题，这类问题通常属于可以解决的问题；另一类则直接与MCU的缺点有关。主要包括一下几个方面：

（1）、低速 由于MCU的工作方式是通过内部的CPU逐条执行软件指令来完成各种运算和逻辑功能的，无论多么高的工作时钟频率和多么好的指令时许方式，在排队式串行指令执行方式（DSP处理器也是这种方式）面前，其工作速度和效率也将大打折扣，因此，MCU在实时仿真，高速工控或高速数据采集等领域便显得力不从心了。

（2）、复位工作方式 MCU的另一个致命的弱点是：任何MCU在工作初始都必须经历一个复位过程，否则进行正常工作。MCU的复位必须满足一点的电平（电压）条件和时间条件。在工作电平有某种干扰性突变的时候，MCU的复位将成为系统不可靠工作的重要因素。而且产生这种复位问题是随机和动态的，一般都无法检测的。这个复位问题是MCU的一个先天不足。

（3）、PC的程序跑飞 在强干扰或某种偶然因素下，任何MCU的PC都极可能越出正常的程序流程而跑飞。无论多么优秀的MCU，无论具有多么良好的抗干扰措施，包括设置任何方式的内、外硬件看门狗，在强干扰条件下，MCU都无法保证其仍能正常工作而不进入不可挽回的“死机”状态。因此，当MCU的复位问题和跑飞问题结合在一起的时候，就会让技术人员很难受，因此他们宁可使用纯模拟或纯数字电路。

（4）、MCU使用误区 MCU逻辑行为上的普适性，常会引导人们进入这样一个误区：MCU是无所不能的，任何一个电子系统设计，MCU都是无可质疑的主角。

2、CPLD/FPGA的主要优点可以归纳如下：

（1）、高速 CPLD/FPGA的时钟延迟可以达到ns级（1ns就是100MHz，同时最高的器件可以支持GHz的速度），结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时监控方面有着非常广阔的前景。

做个比较：工作于12MHz晶振频率的MCS51系列单片机对AD控制的采样速率为20KHz左右，若是用ＦＰＧＡ来实现的话，若ＦＰＧＡ采样的工作频率是１００ＭＨｚ，那么对AD的采样速率可以达到50MHz。

（2）、高可靠性 CPLD/FPGA在大多数应用中，无需考虑复位和初始化，另外“死机”（进入非法状态）情况是可以预测的，这包括非法状态的数量和进入状态的可测性，这些“死机“状态也是可以防止的。CPLD/FPGA的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一个芯片中，从而大大缩小体积，易于屏蔽。

（3）、编程简便 CPLD/ＦＰＧＡ产品中多为系统可编程器件，编程方法极为便捷，只需一个下载线和电脑就可以。

（4）、易学易用 用MCU设计数字系统，对于行家来说是十分简单的事情，然而对于初学者，确实件不易的事。因为他不仅需要熟悉软件，而且还要有丰富的硬件开发经验；不仅要熟悉各种单片机的开发系统的使用方法，还要知道所以单片机的内部结构（单片机的内部有很多的寄存器，要是使用必须先熟悉这些东西是什么怎么用，比较麻烦）。相比之下，CPLD/FPGA应用的学习却无需太多的预备，他就像一张白纸，你无需了解内部结构，只要稍有一点数字电路的知识，就可在短期内掌握基本的设计方法和开发技巧。

（5）、开发周期短 许多供应商都推出了相应的软件，以及一些技术支持。如Altera公司的 Maxplus 和QuartusII，这些软件仿真功能完善，仿真能力强，开发简便，硬件因素设计少，因此可以在短时间内实现复杂系统的设计。

（6）、系统可预测性好 有丰富的软件

（7）、系统易维护、易升级 只需下载线和电脑就可以完成升级。

（8）、多次擦写，可重复利用

（9）、保密性好

（10）、有丰富的端口

五、学习FPGA/CPLD所要掌握的知识

1、硬件知识 FPGA/CPLD就像一张白纸，我们不需要对内部有太深的了解，在编程的时候也不要像MCU那样对内部什么寄存器进行初始化什么的，我们只要写程序就好。而且我们对于他的那么多的管脚，其实一部分是有专门用途的，那么我们可以不用，别的IO口都是可以用的，而且都是一样的，比如EPF10K10TC144-4的可用IO口为102个（一般的单片机只有32个端口，而且这些端口不是都可以用的），都是一样的端口。因此，硬件不需要太多的了解。

2、理论知识 对于数字系统，那么我们就要掌握一些基本的数字知识，可以找点数字电路的书看看，看看最简单的逻辑知识。

3、软件使用 目前最大的生产FPGA/CPLD的厂家是Altera，他提供的软件以及支持是比较丰富的。目前该公司提供的仿真软件主要有QuartusII、Nios II 等等。目前用的比较多的是QuartusII6.0，软件的学习是比较简单的。

4、语言的学习 FPGA/CPLD主要VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description）和Verilog HDL语言两种。VHDL的主要应用领域：

（1） 智能模块(IP)的研发 IP: 用VHDL语言编写，经逻辑优化和功能验证的可生成VLSI中各种功能单元的软件群，例如，无线通信产品、网上设备、中央处理器(通用CPU)、DSP、PCI、USB、嵌入式CPU

（2）单芯片全功能集成系统设计：SoPC系统、嵌入式计算、ASIC验证

（3）功能可重置系统的设计：远程系统升级、可重配置设计

三、学习FPGA/CPLD的方法

要想在FPGA上实现自己想要的东西，首先要明白你要实现的东西的原理，然后根据原理去用VHDL语言来实现。

学习FPGA，首先要学习VHDL语言，那就要掌握VHDL的基本语法，这就要看一些基本的书。掌握了语法后，学习FPGA，就要把软件和硬件结合起来，这样效果比较好，否则就是看书的话效果不明显。

四、往年电子大赛中可以用FPGA做的题目

05年（共7题）：正弦信号发生器

简易频谱分析仪

数控恒流源

03年（共7题）：简易逻辑分析仪

低频数字式相位测量仪

01年（共7题）：数据采集与传输系统

简易数字存储示波器

波形发生器

99年（共6题）：数字化语音存储与回放系统

97年（共4题）：水温控制系统

简易数字频率计

95年（共4题）：实用信号源的设计

简易电阻、电容和电感测试仪

94年（共2题）：多路数据采集系统

简易数控直流电源