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FPGA/CPLD簡介
FPGA/CPLD簡介
一、可編程邏輯器件主要有兩個類型:
（一）、現場可編程門陣列（FPGA）（Field Programmable Gate Array）
（二）、複雜可編程邏輯器件（CPLD）（Complex Programmable Logic Device）
二、FPGA與CPLD的比較
盡管FPGA和CPLD都是可編程ASIC器件,有很多共同特點,但由於CPLD和FPGA結構上的差異,具有各自的特點：
（一）、CPLD更適合完成各種算法和組合邏輯,FPGA更適合於完成時序邏輯。
（二）、由於內部布線結構，CPLD的時序延遲是均勻的和可預測的,而FPGA的延遲的不可預測性。（我們在用的時候不用考慮內部結構的布線問題）
（三）、在編程上FPGA比CPLD具有更大的靈活性。
（四）、FPGA的集成度比CPLD高,具有更複雜的布線結構和邏輯實現。
（五）、CPLD比FPGA使用起來更方便。CPLD的編程采用E2PROM或FAST FLASH技術,無需外部存儲器芯片,使用簡單。而FPGA的編程信息需存放在外部存儲器上，就是需要一些配置芯片。
（六）、在編程方式上,CPLD主要是基於E2PROM或FLASH存儲器編程,編程次數可達1萬次,優點是係統斷電時編程信息也不丟失。FPGA大部分是基於SRAM編程,編程信息在係統斷電時丟失,每次上電時,需從器件外部將編程數據重新寫入SRAM中。其優點是可以編程任意次,可在工作中快速編程,從而實現板級和係統級的動態配置。
（七）、CPLD保密性好,FPGA保密性差。
（八）、一般情況下,CPLD的功耗要比FPGA大
三、FPGA的用途
FPGA被應用於範圍廣泛的應用中，從數據處理和存儲，以及到儀器儀表、電信和數字信號處理等。FPGA能完成任何數字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74係列電路，都可以用FPGA來實現。FPGA/CPLD的應用領域：汽車、軍事和航空航天、廣播、測量和測試、消費類、有線或無線通信、工業、醫療等等。
四、CPLD/FPGA與MCU的比較
1、MCU（微處理器或單片機）麵臨的問題
由MCU為主構成的電子應用係統通常出現的問題可以分為兩類：1類是技術類問題，如軟件設計、接口器件的選擇或康幹擾措施應用等問題，這類問題通常屬於可以解決的問題；另一類則直接與MCU的缺點有關。主要包括一下幾個方麵：
（1）、低速 由於MCU的工作方式是通過內部的CPU逐條執行軟件指令來完成各種運算和邏輯功能的，無論多麼高的工作時鍾頻率和多麼好的指令時許方式，在排隊式串行指令執行方式（DSP處理器也是這種方式）麵前，其工作速度和效率也將大打折扣，因此，MCU在實時仿真，高速工控或高速數據采集等領域便顯得力不從心了。
（2）、複位工作方式 MCU的另一個致命的弱點是：任何MCU在工作初始都必須經曆一個複位過程，否則進行正常工作。MCU的複位必須滿足一點的電平（電壓）條件和時間條件。在工作電平有某種幹擾性突變的時候，MCU的複位將成為係統不可靠工作的重要因素。而且產生這種複位問題是隨機和動態的，一般都無法檢測的。這個複位問題是MCU的一個先天不足。
（3）、PC的程序跑飛 在強幹擾或某種偶然因素下，任何MCU的PC都極可能越出正常的程序流程而跑飛。無論多麼優秀的MCU，無論具有多麼良好的抗幹擾措施，包括設置任何方式的內、外硬件看門狗，在強幹擾條件下，MCU都無法保證其仍能正常工作而不進入不可挽回的“死機”狀態。因此，當MCU的複位問題和跑飛問題結合在一起的時候，就會讓技術人員很難受，因此他們寧可使用純模擬或純數字電路。
（4）、MCU使用誤區 MCU邏輯行為上的普適性，常會引導人們進入這樣一個誤區：MCU是無所不能的，任何一個電子係統設計，MCU都是無可質疑的主角。
2、CPLD/FPGA的主要優點可以歸納如下：
（1）、高速 CPLD/FPGA的時鍾延遲可以達到ns級（1ns就是100MHz，同時最高的器件可以支持GHz的速度），結合其並行工作方式，在超高速應用領域和實時監控方麵有著非常廣闊的前景。
做個比較：工作於12MHz晶振頻率的MCS51係列單片機對AD控製的采樣速率為20KHz左右，若是用ＦＰＧＡ來實現的話，若ＦＰＧＡ采樣的工作頻率是１００ＭＨｚ，那麼對AD的采樣速率可以達到50MHz。
（2）、高可靠性 CPLD/FPGA在大多數應用中，無需考慮複位和初始化，另外“死機”（進入非法狀態）情況是可以預測的，這包括非法狀態的數量和進入狀態的可測性，這些“死機“狀態也是可以防止的。CPLD/FPGA的高可靠性還表現在幾乎可將整個係統下載於同一個芯片中，從而大大縮小體積，易於屏蔽。
（3）、編程簡便 CPLD/ＦＰＧＡ產品中多為係統可編程器件，編程方法極為便捷，隻需一個下載線和電腦就可以。
（4）、易學易用 用MCU設計數字係統，對於行家來說是十分簡單的事情，然而對於初學者，確實件不易的事。因為他不僅需要熟悉軟件，而且還要有豐富的硬件開發經驗；不僅要熟悉各種單片機的開發係統的使用方法，還要知道所以單片機的內部結構（單片機的內部有很多的寄存器，要是使用必須先熟悉這些東西是什麼怎麼用，比較麻煩）。相比之下，CPLD/FPGA應用的學習卻無需太多的預備，他就像一張白紙，你無需了解內部結構，隻要稍有一點數字電路的知識，就可在短期內掌握基本的設計方法和開發技巧。
（5）、開發周期短 許多供應商都推出了相應的軟件，以及一些技術支持。如Altera公司的 Maxplus 和QuartusII，這些軟件仿真功能完善，仿真能力強，開發簡便，硬件因素設計少，因此可以在短時間內實現複雜係統的設計。
（6）、係統可預測性好 有豐富的軟件
（7）、係統易維護、易升級 隻需下載線和電腦就可以完成升級。
（8）、多次擦寫，可重複利用
（9）、保密性好
（10）、有豐富的端口
五、學習FPGA/CPLD所要掌握的知識
1、硬件知識 FPGA/CPLD就像一張白紙，我們不需要對內部有太深的了解，在編程的時候也不要像MCU那樣對內部什麼寄存器進行初始化什麼的，我們隻要寫程序就好。而且我們對於他的那麼多的管腳，其實一部分是有專門用途的，那麼我們可以不用，別的IO口都是可以用的，而且都是一樣的，比如EPF10K10TC144-4的可用IO口為102個（一般的單片機隻有32個端口，而且這些端口不是都可以用的），都是一樣的端口。因此，硬件不需要太多的了解。
2、理論知識 對於數字係統，那麼我們就要掌握一些基本的數字知識，可以找點數字電路的書看看，看看最簡單的邏輯知識。
3、軟件使用 目前最大的生產FPGA/CPLD的廠家是Altera，他提供的軟件以及支持是比較豐富的。目前該公司提供的仿真軟件主要有QuartusII、Nios II 等等。目前用的比較多的是QuartusII6.0，軟件的學習是比較簡單的。
4、語言的學習 FPGA/CPLD主要VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description）和Verilog HDL語言兩種。VHDL的主要應用領域：
（1） 智能模塊(IP)的研發 IP: 用VHDL語言編寫，經邏輯優化和功能驗證的可生成VLSI中各種功能單元的軟件群，例如，無線通信產品、網上設備、中央處理器(通用CPU)、DSP、PCI、USB、嵌入式CPU
（2）單芯片全功能集成係統設計：SoPC係統、嵌入式計算、ASIC驗證
（3）功能可重置係統的設計：遠程係統升級、可重配置設計
三、學習FPGA/CPLD的方法
要想在FPGA上實現自己想要的東西，首先要明白你要實現的東西的原理，然後根據原理去用VHDL語言來實現。
學習FPGA，首先要學習VHDL語言，那就要掌握VHDL的基本語法，這就要看一些基本的書。掌握了語法後，學習FPGA，就要把軟件和硬件結合起來，這樣效果比較好，否則就是看書的話效果不明顯。
四、往年電子大賽中可以用FPGA做的題目
05年（共7題）：正弦信號發生器
簡易頻譜分析儀
數控恒流源
03年（共7題）：簡易邏輯分析儀
低頻數字式相位測量儀
01年（共7題）：數據采集與傳輸係統
簡易數字存儲示波器
波形發生器
99年（共6題）：數字化語音存儲與回放係統
97年（共4題）：水溫控製係統
簡易數字頻率計
95年（共4題）：實用信號源的設計
簡易電阻、電容和電感測試儀
94年（共2題）：多路數據采集係統
簡易數控直流電源
最後更新：2017-04-03 16:59:42