簡述PLD和FPGA

張 華

[摘要]簡單介紹FPGA/PLD的開發(fā)流程,分類及使用。

[關(guān)鍵詞]FPGAPLD

中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110082-01

PLD是可編程邏輯器件(Programable Logic Device)的簡稱,FPGA

是現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programable Gate Array)的簡稱,兩者的功能基本相同,只是實現(xiàn)原理略有不同,所以我們有時可以忽略這兩者的區(qū)別,統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或PLD/FPGA。

PLD是電子設(shè)計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù),它的影響絲毫不亞于70年代單片機的發(fā)明和使用。PLD能做什么呢?可以毫不夸張的講,PLD能完成任何數(shù)字器件的功能,上至高性能CPU,下至簡單的74電路,都可以用PLD來實現(xiàn)。PLD如同一張白紙或是一堆積木,工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法,或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真,我們可以事先驗證設(shè)計的正確性。在PCB完成以后,還可以利用PLD的在線修改能力,隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路,可以大大縮短設(shè)計時間,減少PCB面積,提高系統(tǒng)的可靠性。PLD的這些優(yōu)點使得PLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展,同時也大大推動了EDA軟件和硬件描述語言(HDL)的進步。

開發(fā)PLD需要了解兩個部分:PLD開發(fā)軟件,PLD本身。

一、PLD開發(fā)軟件

由于PLD軟件已經(jīng)發(fā)展的相當完善,用戶甚至可以不用詳細了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu),也可以用自己熟悉的方法:如原理圖輸入或HDL語言來完成相當優(yōu)秀的PLD設(shè)計。所以對初學者,首先應了解PLD開發(fā)軟件和開發(fā)流程。了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu),將有助于提高我們設(shè)計的效率和可靠性。對于PLD產(chǎn)品,一般分為:基于乘積項(Product-Term)技術(shù),EEPROM(或Flash)工藝的中小規(guī)模PLD,以及基于查找表(Look-Up table)技術(shù),SRAM工藝的大規(guī)模PLD/FPGA。EEPROM工藝的PLD密度小,多用于5,000門以下的小規(guī)模設(shè)計,適合做復雜的組合邏輯,如譯碼。SRAM工藝的PLD(FPGA),密度高,觸發(fā)器多,多用于10,000門以上的大規(guī)模設(shè)計,適合做復雜的時序邏輯,如數(shù)字信號處理和各種算法。

二、PLD/FPGA的分類和使用

在PLD/FPGA開發(fā)軟件中完成設(shè)計以后,軟件會產(chǎn)生一個最終的編程文件(如.pof)。如何將編程文件燒到PLD芯片中去呢?

1.對于基于乘積項(Product-Term)技術(shù),EEPROM(或Flash)工藝的PLD(如Altera的MAX系列,Lattice的大部分產(chǎn)品,Xilinx的XC9500,Coolrunner系列),廠家提供編程電纜,電纜一端裝在計算機的并行打印口上,另一端接在PCB板上的一個十芯插頭,PLD芯片有四個管腳(編程腳)與插頭相連。

2.它向系統(tǒng)板上的器件提供配置或編程數(shù)據(jù),這就是所謂的在線可編程(ISP,如下圖)。Byteblaster使用戶能夠獨立地配置PLD器件,而不需要編程器或任何其它編程硬件。編程電纜可以向代理商購買,也可以根據(jù)廠家提供的編程電纜的原理圖自己制作,成本僅需一,二十元。早期的PLD是不支持ISP的,它們需要用編程器燒寫。目前的PLD都可以用ISP在線編程,也可用編程器編程。這種PLD可以加密,并且很難解密,所以常常用于單板加密。

3.對于基于查找表(LUT,Look-Up table)技術(shù),SRAM工藝的FPGA

(如Altera的所有FPGA,如ACEX,Cyclone,Stratix系列,Xilinx的所有FPGA,如Spartan,Virtex系列,Lattice的EC/ECP系列等),由于SRAM工藝的特點,掉電后數(shù)據(jù)會消失,因此調(diào)試期間可以用下載電纜配置PLD器件,調(diào)試完成后,需要將數(shù)據(jù)固化在一個專用的EEPROM中(用通用編程器燒寫,也有一些可以用電纜直接改寫),上電時,由這片配置EEPROM先對FPGA加載數(shù)據(jù),十幾個毫秒到幾百個毫秒后,FPGA即可正常工作。(亦可由CPU配置FPGA)。但SRAM工藝的PLD一般不可以直接加密。

4.還有一種反熔絲(Anti-fuse)技術(shù)的FPGA,如Actel,Quicklogic

的部分產(chǎn)品就采用這種工藝。但這種的PLD是不能重復擦寫,需要使用專用編程器,所以開發(fā)過程比較麻煩,費用也比較昂高。但反熔絲技術(shù)也有許多優(yōu)點:布線能力更強,系統(tǒng)速度更快,功耗更低,同時抗輻射能力強,耐高低溫,可以加密,所以在一些有特殊要求的領(lǐng)域中運用較多,如軍事及航空航天。為了解決反熔絲FPGA不可重復擦寫的問題,Actel等公司在90年代中后期開發(fā)了基于Flash技術(shù)的FPGA,如ProASIC系列,這種FPGA不需要配置,數(shù)據(jù)直接保存在FPGA芯片中,用戶可以改寫(但需要10幾伏的高電壓)。

5.隨著技術(shù)的發(fā)展,在2004年以后,一些廠家推出了一些新的PLD和FPGA,這些產(chǎn)品模糊了PLD和FPGA的區(qū)別。例如Altera最新的MAXII系列PLD,這是一種基于FPGA(LUT)結(jié)構(gòu),集成配置芯片的PLD,在本質(zhì)上它就是一種在內(nèi)部集成了配置芯片的FPGA,但由于配置時間極短,上電就可以工作,所以對用戶來說,感覺不到配置過程,可以傳統(tǒng)的PLD一樣使用,加上容量和傳統(tǒng)PLD類似,所以altera把它歸作PLD。還有像Lattice的XP系列FPGA,也是使用了同樣的原理,將外部配置芯片集成到內(nèi)部,在使用方法上和PLD類似,但是因為容量大,性能和傳統(tǒng)FPGA相同,也是LUT架構(gòu),所以Lattice仍把它歸為FPGA。

參考文獻:

[1]褚振勇、田紅心,《FPGA設(shè)計及應用》,ISBN:9787560611327.