简述PLD和FPGA

张 华

[摘要]简单介绍FPGA/PLD的开发流程,分类及使用。

[关键词]FPGAPLD

中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110082-01

PLD是可编程逻辑器件(Programable Logic Device)的简称,FPGA

是现场可编程门阵列(Field Programable Gate Array)的简称,两者的功能基本相同,只是实现原理略有不同,所以我们有时可以忽略这两者的区别,统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。

PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术,它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。PLD能做什么呢?可以毫不夸张的讲,PLD能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74电路,都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后,还可以利用PLD的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展,同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言(HDL)的进步。

开发PLD需要了解两个部分:PLD开发软件,PLD本身。

一、PLD开发软件

由于PLD软件已经发展的相当完善,用户甚至可以不用详细了解PLD的内部结构,也可以用自己熟悉的方法:如原理图输入或HDL语言来完成相当优秀的PLD设计。所以对初学者,首先应了解PLD开发软件和开发流程。了解PLD的内部结构,将有助于提高我们设计的效率和可靠性。对于PLD产品,一般分为:基于乘积项(Product-Term)技术,EEPROM(或Flash)工艺的中小规模PLD,以及基于查找表(Look-Up table)技术,SRAM工艺的大规模PLD/FPGA。EEPROM工艺的PLD密度小,多用于5,000门以下的小规模设计,适合做复杂的组合逻辑,如译码。SRAM工艺的PLD(FPGA),密度高,触发器多,多用于10,000门以上的大规模设计,适合做复杂的时序逻辑,如数字信号处理和各种算法。

二、PLD/FPGA的分类和使用

在PLD/FPGA开发软件中完成设计以后,软件会产生一个最终的编程文件(如.pof)。如何将编程文件烧到PLD芯片中去呢?

1.对于基于乘积项(Product-Term)技术,EEPROM(或Flash)工艺的PLD(如Altera的MAX系列,Lattice的大部分产品,Xilinx的XC9500,Coolrunner系列),厂家提供编程电缆,电缆一端装在计算机的并行打印口上,另一端接在PCB板上的一个十芯插头,PLD芯片有四个管脚(编程脚)与插头相连。

2.它向系统板上的器件提供配置或编程数据,这就是所谓的在线可编程(ISP,如下图)。Byteblaster使用户能够独立地配置PLD器件,而不需要编程器或任何其它编程硬件。编程电缆可以向代理商购买,也可以根据厂家提供的编程电缆的原理图自己制作,成本仅需一,二十元。早期的PLD是不支持ISP的,它们需要用编程器烧写。目前的PLD都可以用ISP在线编程,也可用编程器编程。这种PLD可以加密,并且很难解密,所以常常用于单板加密。

3.对于基于查找表(LUT,Look-Up table)技术,SRAM工艺的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工艺的特点,掉电后数据会消失,因此调试期间可以用下载电缆配置PLD器件,调试完成后,需要将数据固化在一个专用的EEPROM中(用通用编程器烧写,也有一些可以用电缆直接改写),上电时,由这片配置EEPROM先对FPGA加载数据,十几个毫秒到几百个毫秒后,FPGA即可正常工作。(亦可由CPU配置FPGA)。但SRAM工艺的PLD一般不可以直接加密。

4.还有一种反熔丝(Anti-fuse)技术的FPGA,如Actel,Quicklogic

的部分产品就采用这种工艺。但这种的PLD是不能重复擦写,需要使用专用编程器,所以开发过程比较麻烦,费用也比较昂高。但反熔丝技术也有许多优点:布线能力更强,系统速度更快,功耗更低,同时抗辐射能力强,耐高低温,可以加密,所以在一些有特殊要求的领域中运用较多,如军事及航空航天。为了解决反熔丝FPGA不可重复擦写的问题,Actel等公司在90年代中后期开发了基于Flash技术的FPGA,如ProASIC系列,这种FPGA不需要配置,数据直接保存在FPGA芯片中,用户可以改写(但需要10几伏的高电压)。

5.随着技术的发展,在2004年以后,一些厂家推出了一些新的PLD和FPGA,这些产品模糊了PLD和FPGA的区别。例如Altera最新的MAXII系列PLD,这是一种基于FPGA(LUT)结构,集成配置芯片的PLD,在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA,但由于配置时间极短,上电就可以工作,所以对用户来说,感觉不到配置过程,可以传统的PLD一样使用,加上容量和传统PLD类似,所以altera把它归作PLD。还有像Lattice的XP系列FPGA,也是使用了同样的原理,将外部配置芯片集成到内部,在使用方法上和PLD类似,但是因为容量大,性能和传统FPGA相同,也是LUT架构,所以Lattice仍把它归为FPGA。

参考文献:

[1]褚振勇、田红心,《FPGA设计及应用》,ISBN:9787560611327.