關(guān)于可編程邏輯推動基于MCU的設(shè)計的分析和應(yīng)用

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）都屬于大型可編程邏輯器件，十年前它們發(fā)明伊始是為了充當膠合邏輯以及ASIC原型器件，但自出現(xiàn)后，它們的功能擴展非常迅速。嵌入式加速器和微處理器應(yīng)用曾經(jīng)一度僅使用DSP和ASSP，但FPGA以及CPLD后來也成為了強有力的候選。一旦設(shè)計師了解FPGA和CPLD架構(gòu)的基礎(chǔ)知識，就可以提升許多設(shè)計的性能、效率并縮短設(shè)計周期。

在演化到目前最新形態(tài)的FPGA和CPLD之前，可編程邏輯已經(jīng)有很長的發(fā)展歷史。這兩種技術(shù)之間的體系結(jié)構(gòu)差別可由名稱識別出來。FPGA結(jié)構(gòu)非常像ASIC門陣列，事實上，它最初用于ASIC原型。 CPLD則是一堆可編程邏輯元件的網(wǎng)絡(luò)，這些元件連接起來可以創(chuàng)建一個更大的系統(tǒng)。

可編程邏輯基礎(chǔ)

為理解FPGA和CPLD的基礎(chǔ)配置思路，可以重新回顧一下可編程陣列邏輯（PAL）的特性。PAL最初具備一個寬泛的可編程與（AND）門平面，可以對輸入進入與操作?；颍?a target="_blank">OR）平面是固定的，限制了可以一起進行或操作的項數(shù)。也加入了一些基礎(chǔ)邏輯單元，比如多路復(fù)用器、異或和鎖存器，也包括一些時序單元，例如觸發(fā)器。

這些電路元件的組合幫助設(shè)計者實現(xiàn)大量的邏輯功能，包括狀態(tài)機需要的時鐘時序邏輯。PAL速度非?？?，可以取代很多上一代設(shè)計中的標準邏輯。圖1顯示了一個基礎(chǔ)的PAL，其中的可編程元件（顯示為熔絲）將輸入信號的真值和互補值同時連接到圖中所示的與門。與門，也被稱為乘積項，通過或運算，形成乘積項之和的邏輯陣列。

圖1：簡化的可編程陣列邏輯（PAL）

CPLD和FPGA在PAL和ASIC門陣列之間創(chuàng)造了一種妥善并且非常具有擴展性的媒介。CPLD和PAL速度一樣快，但更為復(fù)雜。FPGA方法復(fù)雜性與門陣列接近但是可編程。

CPLD架構(gòu)

雖然每家CPLD廠商都有其獨特實現(xiàn)，但所有CPLD具備一些共有特征，比如都擁有功能塊（FB）、輸入/輸出模塊（I / O）以及互連矩陣。 CPLD均通過使用特定制造商工藝對應(yīng)的元件編程。存儲器件可以是EPROM單元、EEPROM單元或Flash EPROM單元。圖2顯示了一個典型的CPLD架構(gòu)。

圖2：簡化的CPLD架構(gòu)

FPGA架構(gòu)

FPGA架構(gòu)與ASIC類似，但與CPLD差異巨大。一個通用的FPGA架構(gòu)包括配置邏輯塊（CLB）陣列、I / O焊盤和可編程互連，如圖3所示。加入了時鐘電路以驅(qū)動時鐘信號到每一個邏輯塊。算術(shù)邏輯單元、存儲單元和譯碼器也是典型的組件。

圖3：基礎(chǔ)FPGA架構(gòu)

FPGA邏輯蘊藏在CLB中，CLB包含了RAM資源，可用于創(chuàng)建組合邏輯功能，這些功能也常稱為查找表（LUT）。它還包含了觸發(fā)器，可用于時序存儲元件，還包含了多路復(fù)用器，以用于邏輯塊內(nèi)和外部資源之間的邏輯的布線。多路復(fù)用器還可用于極性選擇以及復(fù)位和清零輸入選擇。

可配置I / O塊包含帶有三態(tài)以及開路輸出控制集合功能的一對輸入和輸出緩沖對。輸出的極性通常可編程為高有效或低有效輸出，并且輸出的壓擺率經(jīng)常也可以被編程為快或慢的上升和下降時間。輸入端和輸出端通常包含觸發(fā)器。在輸入端使用觸發(fā)器，這樣在到達觸發(fā)器之前就不會有太多時延，但將增加器件保持時間的要求。在輸出端，觸發(fā)器允許時序信號直接輸出到管腳，不會遇受顯著延遲問題。

為避免信號延遲帶來的不利后果，互聯(lián)結(jié)構(gòu)最終呈現(xiàn)出層次化結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中長連線（它們也可以被用作總線）連接芯片中物理上遠離的多個關(guān)鍵CLB。短連線連接彼此接近的多個獨立CLB。類似于CPLD中的開關(guān)矩陣，以特殊方式連接多條長連線和短連線。芯片內(nèi)的可編程開關(guān)使能CLB與互連線的連接，以及互連線彼此間的連接，還有互連線與開關(guān)矩陣的連接。

利用三態(tài)緩沖器將多個CLB連接形成一個長連線，多條長連線就組成了總線。時鐘通過長連線分布在整個FPGA中，這樣的長連線稱為全局時鐘線，專門面向低阻抗和快速傳播進行了優(yōu)化。他們連接到時鐘緩沖器，以及連接到每個CLB中的時序元件。