FPGA基础

 

什么是FPGA?

FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，它是在PAL(Programmable Array Logic) 、GAL(Globle Programmable Logic)、EPLD(Electrically Programmable Logic Device )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)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的使用非常灵活，同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。

FPGA的结构特点

FPGA通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块、可编程I/O块和可编程互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程I/O块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，构成特定功能的电路。

什么是CPLD？

CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（LMC，Logic Macro Cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中LMC逻辑结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于 CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。

FPGA与CPLD的各自特点

1. ＣＰＬＤ更适合完成各种算法和组合逻辑,ＦＰ ＧＡ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。
2. 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。
3. 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;ＦＰ ＧＡ可在逻辑门下编程,而ＣＰＬＤ是在逻辑块下编程。
4. ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。
5. 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。
6. ＣＰＬＤ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。

7. 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。

8. ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。

9. 一般情况下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度越高越明显

 

东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，时建龙