介紹CPLD和FPGA的基本結(jié)構(gòu)

CPLD是復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programable Logic Device）的簡(jiǎn)稱，FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programable Gate Array）的簡(jiǎn)稱，兩者的功能基本相同，編程等過(guò)程也基本相同（燒寫文件不一樣，但是是由軟件自動(dòng)產(chǎn)生的），只是芯片內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)原理和結(jié)構(gòu)略有不同。

CPLD

CPLD主要由可編程I/O單元、基本邏輯單元、布線池和其他輔助功能模塊構(gòu)成。

• 可編程邏輯單元

作用與FPGA的基本I/O口相同，但是CPLD應(yīng)用范圍局限性較大，I/O的性能和復(fù)雜度與FPGA相比有一定的差距，支撐的I/O標(biāo)準(zhǔn)較少，頻率也較低。

• 基本邏輯單元

CPLD中基本邏輯單元是宏單元。所謂宏單元就是由一些與、或陣列加上觸發(fā)器構(gòu)成的，其中“與或”陣列完成組合邏輯功能，觸發(fā)器用以完成時(shí)序邏輯。

與CPLD基本邏輯單元相關(guān)的另外一個(gè)重要概念是乘積項(xiàng)。所謂乘積項(xiàng)就是宏單元中與陣列的輸出，其數(shù)量標(biāo)志了CPLD容量。乘積項(xiàng)陣列實(shí)際上就是一個(gè)“與或”陣列，每一個(gè)交叉點(diǎn)都是一個(gè)可編程熔絲，如果導(dǎo)通就是實(shí)現(xiàn)“與”邏輯，在“與”陣列后一般還有一個(gè)“或”陣列，用以完成最小邏輯表達(dá)式中的“或”關(guān)系。

• 布線池、布線矩陣

CPLD中的布線資源比FPGA的要簡(jiǎn)單的多，布線資源也相對(duì)有限，一般采用集中式布線池結(jié)構(gòu)。所謂布線池，其本質(zhì)就是一個(gè)開關(guān)矩陣，通過(guò)打結(jié)點(diǎn)可以完成不同宏單元的輸入與輸出項(xiàng)之間的連接。由于CPLD器件內(nèi)部互連資源比較缺乏，所以在某些情況下器件布線時(shí)會(huì)遇到一定的困難。由于CPLD的布線池結(jié)構(gòu)固定，所以CPLD的輸入管腳到輸出管腳的延時(shí)固定，被稱為Pin to Pin延時(shí)，用Tpd表示，Tpd延時(shí)反映了CPLD器件可以實(shí)現(xiàn)的最高頻率，也就清晰地表明了CPLD器件的速度等級(jí)。

FPGA

FPGA由6部分組成，分別為可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核等。

• 可編程輸入/輸出單元（IOB）

可編程輸入/輸出單元是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對(duì)輸入/輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配要求。FPGA內(nèi)部的I/O按組分類，每組都能夠獨(dú)立地支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)軟件的靈活配置，可適應(yīng)不同的電氣標(biāo)準(zhǔn)與I/O物理特性，可以調(diào)整匹配阻抗特性，可以改變上、下拉電阻，可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小。

外部輸入信號(hào)可以通過(guò)IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到FPGA的內(nèi)部，也可以直接輸入FPGA內(nèi)部。當(dāng)外部輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到FPGA內(nèi)部時(shí)，其保持時(shí)間（Hold Time）的要求可以降低，通常默認(rèn)為0。

為了便于管理和適應(yīng)多種電器標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)PGA的IOB被劃分為若干個(gè)組（bank），每個(gè)bank的接口標(biāo)準(zhǔn)由其接口電壓VCCO決定，一個(gè)bank只能有一種VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。只有相同電氣標(biāo)準(zhǔn)的端口才能連接在一起，VCCO電壓相同是接口標(biāo)準(zhǔn)的基本條件。

• 基本可編程邏輯單元

FPGA的基本可編程邏輯單元是由查找表（LUT）和寄存器（Register）組成的，查找表完成純組合邏輯功能。FPGA內(nèi)部寄存器可配置為帶同步/異步復(fù)位和置位、時(shí)鐘使能的觸發(fā)器，也可以配置成為鎖存器。FPGA一般依賴寄存器完成同步時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，比較經(jīng)典的基本可編程單元的配置是一個(gè)寄存器加一個(gè)查找表，但不同廠商的寄存器和查找表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的差異，而且寄存器和查找表的組合模式也不同。

了解底層配置單元的LUT和Register比率的一個(gè)重要意義在于器件選型和規(guī)模估算。由于FPGA內(nèi)部除了基本可編程邏輯單元外，還有嵌入式的RAM、PLL或DLL，專用的Hard IP Core等，這些模塊也能等效出一定規(guī)模的系統(tǒng)門，所以簡(jiǎn)單科學(xué)的方法是用器件的Register或LUT的數(shù)量衡量。

• 嵌入式塊RAM

目前大多數(shù)FPGA都有內(nèi)嵌的塊RAM。嵌入式塊RAM可被配置為單端口RAM、雙端口RAM、內(nèi)容地址存儲(chǔ)器（CAM）以及FIFO等常用存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

CAM，即為內(nèi)容地址存儲(chǔ)器。寫入CAM的數(shù)據(jù)會(huì)和其內(nèi)部存儲(chǔ)的每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并返回與端口數(shù)據(jù)相同的所有內(nèi)部數(shù)據(jù)的地址。簡(jiǎn)單的說(shuō)，RAM是一種寫地址，讀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元；CAM與RAM恰恰相反。

除了塊RAM，Xilinx和Lattice的FPGA還可以靈活地將LUT配置成RAM、ROM、FIFO等存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

• 豐富的布線資源

布線資源連通FPGA內(nèi)部所有單元，連線的長(zhǎng)度和工藝決定著信號(hào)在連線上的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸速度。根據(jù)工藝、長(zhǎng)度、寬度和分布位置的不同而劃分為4類不同的類別：

• 全局性的專用布線資源：用以完成芯片內(nèi)部全局時(shí)鐘和全局復(fù)位/置位的布線；
• 長(zhǎng)線資源：用以完成器件Bank間的一些高速信號(hào)和一些第二全局時(shí)鐘信號(hào)的布線；
• 短線資源：用來(lái)完成基本邏輯單元間的邏輯互連與布線；
• 其他：在邏輯單元內(nèi)部還有著各種布線資源和專用時(shí)鐘、復(fù)位等控制信號(hào)線。

由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往由布局布線器自動(dòng)根據(jù)輸入的邏輯網(wǎng)表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件選擇可用的布線資源連通所用的底層單元模塊，所以常常忽略布線資源。其實(shí)布線資源的優(yōu)化與使用和實(shí)現(xiàn)結(jié)果有直接關(guān)系。

• 底層內(nèi)嵌功能單元

內(nèi)嵌功能模塊主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP和CPU等軟處理核（Soft Core）?，F(xiàn)在越來(lái)越豐富的內(nèi)嵌功能單元，使得單片F(xiàn)PGA成為了系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)工具，使其具備了軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)的能力，逐步向SOC平臺(tái)過(guò)渡。

DLL和PLL具有類似的功能，可以完成時(shí)鐘高精度、低抖動(dòng)的倍頻和分頻，以及占空比調(diào)整和移相等功能。Xilinx公司生產(chǎn)的芯片上集成了DLL，Altera公司的芯片集成了PLL，Lattice公司的新型芯片上同時(shí)集成了PLL和DLL。PLL和DLL可以通過(guò)IP核生成的工具方便地進(jìn)行管理和配置。

• 內(nèi)嵌專用硬核

與“底層嵌入單元”是有區(qū)別的，這里指的硬核主要是那些通用性相對(duì)較弱，不是所有FPGA器件都包含的硬核。

內(nèi)嵌專用硬核是相對(duì)底層嵌入的軟核而言的，指FPGA處理能力強(qiáng)大的硬核（Hard Core），等效于ASIC電路。為了提高FPGA性能，芯片生產(chǎn)商在芯片內(nèi)部集成了一些專用的硬核。例如：為了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA中都集成了專用乘法器；為了適用通信總線與接口標(biāo)準(zhǔn)，很多高端的FPGA內(nèi)部都集成了串并收發(fā)器（SERDES），可以達(dá)到數(shù)十Gbps的收發(fā)速度。

Xilinx公司的高端產(chǎn)品不僅集成了ARM，還內(nèi)嵌了DSP Core模塊，并提出MPSoC、RFSoC等概念。