FPGA——PLD的区别以及各自的特点

目录

    • 一、概述
    • 二、PLD的优点
    • 三、PLD的分类
      • 1、PROM(可编程只读存储器):
      • 2、PAL(可编程阵列逻辑)
      • 3、GAL(通用阵列逻辑)
      • 4、CPLD (复杂PLD)
      • 5、FPGA(现场可编程门阵列)
    • 四、Cyclone IV FPGA芯片的命名规则:
    • 五、FPGA芯片特征(EP4CE6F17C8)

一、概述

可编程逻辑器件(PLD-Programmable Logic Device):器件的功能不是固定不变的,而是可根据用户的需要进行改变 ,即由编程的方法来确定器件的逻辑功能。

二、PLD的优点

1、集成度高,可以替代多至几千块通用 IC 芯片,极大减小电路的面积,降低功耗,提高可靠性。
2、具有完善先进的开发工具,提供语言、图形等设计方法,十分灵活;可以通过仿真工具来验证设计的正确性。
3、可以反复地擦除、编程,方便设计的修改和升级。
4、活地定义管脚功能,减轻设计工作量,缩短系统开发时间。
5、保密性好。

三、PLD的分类

简单PLD:
PROM(可编程只读存储器)
PAL(可编程阵列逻辑)
GAL(通用阵列逻辑)
复杂PLD:
CPLD (复杂PLD)
FPGA(现场可编程门阵列)

1、PROM(可编程只读存储器):

PROM是一种电脑存储记忆晶片,使用专用的PROM编程器进行数据的写入或擦除。
特点:
1、PROM是以逻辑函数的最小项表达式为依据的
2、与阵列固定,产生输入变量的全部最小项
3、器件的规模随着输入信号数量 n 的增加呈2的n次方指数级增长
4、组合型结构,无触发器

2、PAL(可编程阵列逻辑)

PAL只能进行一次编程,是由可编程的与门阵列和固定的或门阵列逻辑组成。
特点:
1、与阵列可编程,或阵列固定,输出端为固定个数与项的或
2、通常PAL输出端的与项个数达到8个,满足大多数逻辑函数的设计需求
3、易于制造,成本低

3、GAL(通用阵列逻辑)

GAL本质上仍是PAL器件,但是它可以重复编程,是由可编程的与门阵列和可编程输出模块的固定或门逻辑组成。
特点:
在PAL的基础上,GAL的输出电路部分增设了可编程的输出逻辑宏单元(OLMC) ,通过编程可将 OLMC 设置为不同的工作状态 ,从而实现PAL的所有输出结构, 产生组合、时序逻辑电路输出。

4、CPLD (复杂PLD)

CPLD是一个含有多个低密度逻辑器件的器件,可以取代许多固定的集成电路及其之间的连接。
CPLD可看作由可编程逻辑阵列(LAB)、可编程IO模块和可编程内部互连线(PIA)组成,LAB的基本结构就是“与或阵列”,该结构有利于实现大量的组合逻辑功能。
特点:
CPLD 集成度远远高于 PAL 和 GAL ,用来设计数字系统,体积小、功耗低、可靠性高。

5、FPGA(现场可编程门阵列)

FPGA的基本组成部分有可编程输入输出块(IOB)、可编程逻辑单元(CLB)和可编程内部互连线。其中CLB的基本结构是LE,主要由触发器和查找表(LUT)构成,可以实现时序逻辑和各种组合逻辑。
FPGA和CPLD因为结构上的区别,各具自身特色。因为FPGA的内部构造触发器比例和数量多,所以它在时序逻辑设计方面更有优势:而CPLD因具有与或门阵列资源丰富、程序掉电不易失等特点,适用于组合逻辑为主的简单电路。
特点:
1、可重构性:FPGA可以被重新编程来实现不同的逻辑功能,这使得它们非常灵活,可以适应不同的应用需求。
2、高性能:由于FPGA可以定制化地设计,因此可以实现非常高效的逻辑运算。此外,FPGA通常具有并行计算能力,可以处理大量数据,因此在某些应用中比传统的处理器更快。
3、低功耗:由于FPGA可以被编程来执行特定的任务,因此它们可以更有效地利用能量,从而减少功耗。
4、实时性:FPGA可以实时处理输入数据,这使得它们在需要实时响应的应用中具有很大的优势。

四、Cyclone IV FPGA芯片的命名规则:

以EP4CE6F17C8为例:
EP4C:Altera器件系列CycloneIV;
E/GX:E表示普通逻辑资源丰富的器件,GX表示带有高速串行收发器的器件;
6 :LE逻辑单元的数量,6表示约有6k的逻辑单元;
F :表示PCB封装类型,F是FBGA封装,E(EQFP)、Q(PQFP)、U(UBGA)、M(MBGA);
17 :表示引脚数量,17代表有256个引脚;
C :工作温度,C表示可以工作在0℃到85℃(民用级),I表示可以工作在-40℃到100℃(工业级),A表示可以工作在-40℃到125℃(军用级);
8 :器件的速度等级,6约最大是500Mhz,7约最大是430Mhz,8约最大是400Mhz,可以看出在Altera的器件中数字越小表示速度越快,而在Xilinx的器件中数字越大表示速度越快;一般来讲,提高一个速度等级将带来12%到15%的性能提升,但是器件的成本却增加了20%大30%。如果利用设计结构来将性能提升12%到15%(通过增加额外的流水线),那么就可以降低速度等级,从而节约20%大30%的成本;

五、FPGA芯片特征(EP4CE6F17C8)

1、低成本、低功耗的 FPGA 架构:
2、6 K的逻辑单元
3、高达 270kb 的嵌入式存储器
4、高达 15 个 18 × 18 乘法器,实现 DSP 处理密集型应用
5、协议桥接应用,实现小于 1.5 W 的总功耗

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