可编程逻辑器件CPLD和FPGA的特点和应用
田生宏 田培成
【摘 要】【摘 要】在可编程逻辑器件的发展过程中，不同厂家对新型PLD器件的叫法不尽相同，对CPLD和FPGA的分类标准也有差异，这样给使用和选择带来了不便甚至困惑，本文按一般的分类方法，分别介绍这两种可编程逻辑器件各自的特点，以期给使用者以帮助。 【期刊名称】科技视界 【年(卷),期】2015(000)018 【总页数】2
【关键词】【关键词】可编程器件；PLD；CPLD；FPGA；硬件描述语言VHDL 目前，大量使用的可编程逻辑器件是CPLD和FPGA，产品种类很多，均可实现任何数字逻辑功能。设计者可以利用CPLD和FPGA，通过原理图输入法或硬件描述语言设计一个数字系统，使之完成特定的功能，并且能运用软件仿真的方法来验证设计的正确性。CPLD和FPGA用于开发数字逻辑电路，可以缩短设计时间，减少集成电路数目和降低成本，极大地提高系统的可靠性。近年来，诞生了一些新型的CPLD和FPGA器件，集成度高，可以替代几十甚至几千块通用IC芯片，其单片逻辑门数已达到上百万门，可实现的逻辑功能也越来越强。
在可编程逻辑器件的发展过程中，不同厂家对新型PLD器件的叫法不尽相同，对CPLD和FPGA的分类标准也有差异，人们通常把基于乘积项技术和EEPROM工艺或Flash Memory工艺的器件称为CPLD，把基于查找表技术和SRAM工艺的器件称为FPGA（也有些资料将这两种器件都称为CPLD或都称
为FPGA）。这样给使用和选择带来了不便甚至困惑，本文按一般的分类方法，分别介绍这两种可编程逻辑器件各自的特点，以期给使用者以帮助。
1 复杂可编程逻辑器件CPLD
CPLD是从SPLD发展而来的高密度PLD产品，目前CPLD的产品种类繁多，各具特色，但其构成基本相同。如图1所示为CPLD的结构示意图，它由若干个逻辑阵列块（LAB）、可编程互连阵列（PIA）和可编程的输入/输出模块（IOB）组成。
CPLD大都采用分区阵列结构，即将整个器件分成若干个逻辑阵列块（Logic Array Block，LAB），每一个LAB实际上就是许多PAL/GAL阵列组成的SPLD组合，这些PAL/GAL阵列常被称为宏单元（macro cell）。在通常情况下，每个宏单元包括可编程的与门阵列、乘积项选择矩阵、或门阵列以及一个可编程的寄存器。根据器件类型的不同，CPLD中可以包含2～64个相同的LAB，可以容纳上万个等效的宏单元。
这些LAB经过内部的可编程互连阵列（Programmable Interconnect Array，PIA）进行互连，从而实现比较复杂的逻辑功能。
可编程的输入/输出模块（Input/Output Block，IOB）允许每个I/O引脚单独配置成输入、输出或双向工作方式。所有I/O引脚都有一个三态缓冲器，它可以由某个全局输出使能信号控制，也可以把使能端直接连接到地或电源上。 CPLD一般采用CMOS工艺和EEPROM或Flash Memory等先进技术、具有密度高、速度快和功耗低等性能。采用CPLD设计数字系统，可以使系统性能更优越。
2 现场可编程门阵列FPGA
现场可编程门阵列（FPGA）是另一种重要的可编程逻辑器件。FPGA在原理上与CPLD不同，FPGA的内部不使用PAL/GAL类型的逻辑，许多FPGA都使用查找表（Look-Up Table，LUT）这种存储器型的逻辑块，并包括小规模的门阵列和触发器电路，代替了CPLD中的与或逻辑结构，同时，因为FPGA含有更多的逻辑块，含有更多的互连单元，它使用与CPLD不同的可编程互连工艺，从而提供更灵活的布线功能，因而FPGA显得更为灵活。
查找表本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用四输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16×1的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。 FPGA主要由可配置逻辑块（Configurable Logic Block，CLB）、输入/输出模块（Input/Output Block，IOB）和可编程互连线（Programmable Interconnect，PI）组成。
可配置逻辑块（CLB）是FPGA的基本结构单元，能够实现逻辑函数。CLB一般由函数发生器、数据选择器、触发器和信号变换电路等部分组成。例如，在Xilinx公司的Spartan-Ⅱ型号的FPGA中，一个CLB包括两个SLICE（SLICE是组成CLB的基本单元），每个SLICE包括两个LUT、两个触发器和相关逻辑。SLICE可以看成是Spartan-Ⅱ实现逻辑的最基本的结构。在通常情况下，FPGA中的逻辑单元通过查找表的功能来实现组合逻辑函数，查找表实际上取代了CPLD中与门/或门阵列。
输入/输出模块（IOB）分布于器件四周，提供内部逻辑与外围引脚间的连接。
可编程逻辑器件CPLD和FPGA的特点和应用
