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简介

  CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC,MacroCell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC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。

发展历史及应用领域

  20世纪70年代,最早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元,因为它的硬件结构设计可由软件完成(相当于房子盖好后人工设计局部室内结构),因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性,但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷,20世纪80年代中期,推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。

器件特点

  它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点,可实现较大规模的电路设计,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分,它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。

如何使用

  CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。

  这里以抢答器为例讲一下它的设计(装修)过程,即芯片的设计流程。CPLD的工作大部分是在电脑上完成的。打开集成开发软件(Altera公司Max+pluxII)→画原理图、写硬件描述语言(VHDL,Verilog)→编译→给出逻辑电路的输入激励信号,进行仿真,查看逻辑输出结果是否正确→进行管脚输入、输出锁定(7128的64个输入、输出管脚可根据需要设定)→生成代码→通过下载电缆将代码传送并存储在CPLD芯片中。7128这块芯片各管脚已引出,将数码管、抢答开关、指示灯、蜂鸣器通过导线分别接到芯片板上,通电测试,当抢答开关按下,对应位的指示灯应当亮,答对以后,裁判给加分后,看此时数码显示加分结果是否正确,如发现有问题,可重新修改原理图或硬件描述语言,完善设计。设计好后,如批量生产,可直接复制其他CPLD芯片,即写入代码即可。如果要对芯片进行其它设计,比如进行交通灯设计,要重新画原理图、或写硬件描述语言,重复以上工作过程,完成设计。这种修改设计相当于将房屋进行了重新装修,这种装修对CPLD来说可进行上万次。

  家庭成员:经过几十年的发展,许多公司都开发出了CPLD可编程逻辑器件。比较典型的就是Altera、Lattice、Xilinx世界三大权威公司的产品,这里给出常用芯片:Altera EPM7128S (PLCC84)

  Lattice LC4128V (TQFP100)

  Xilinx XC95108 (PLCC84)

FPGA与CPLD的辨别和分类

  FPGA与CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法是:

  将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD,如Lattice的ispLSI系列、Xilinx的XC9500系列、Altera的MAX7000S系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。

  将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA,如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。

  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:

  ①CPLD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。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。

  ②CPLD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;FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。

  ④FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。

  ⑤CPLD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。

  ⑥CPLD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。

  ⑧CPLD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。

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