可编程逻辑器件的发展与比较

可编程逻辑器件的发展与比较

一、早期的离散逻辑芯片

在可编程逻辑器件（PLD）发明之前，设计师们只能使用一些专用的小芯片来搭建系统，这些小芯片被称为离散逻辑芯片。这些芯片功能单一，但通过组合可以实现复杂的逻辑功能。然而，随着系统复杂度的增加，离散逻辑芯片的局限性逐渐显现，主要体现在系统体积庞大、功耗高以及设计复杂度高。

二、复杂可编程逻辑器件（CPLD）

（一）CPLD的诞生

为了解决离散逻辑芯片的局限性，**复杂可编程逻辑器件（CPLD）**应运而生。CPLD的英文全称是 Complex Programmable Logic Device，它在结构上可以看作是PLA（可编程逻辑阵列）器件的延续。

（二）CPLD的结构

CPLD芯片的四周分布着一系列称为宏单元的逻辑块，而芯片的中间部分则是一个连接矩阵，用于在各个逻辑块之间建立连接。每一个逻辑块的内部结构与PLA非常相似，因此一个CPLD器件可以被看作是集成了若干个PLA和一个可编程连接矩阵的芯片。

（三）CPLD的特点

• 适合的逻辑结构：CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构，这使得它在处理复杂的组合逻辑时表现出色。
• 时序延迟：由于其布线结构相对简单，CPLD的时序延迟是均匀且可预测的，这使得它在高速应用中具有优势。
• 配置与保密性：CPLD的配置内容在掉电后不会丢失，因此不需要外加配置芯片。这不仅提高了系统的可靠性，还增强了保密性，因为配置数据不易被截获。

三、现场可编程门阵列（FPGA）

（一）FPGA的架构变革

与CPLD不同，**现场可编程门阵列（FPGA）采用了全新的内部架构。FPGA并没有沿用类似PLA的结构，而是引入了逻辑单元阵列（LCA）**的概念。这种架构大量使用查找表（LUT）和寄存器等元素，而非传统的与门和非门。

（二）FPGA的特点

• 逻辑灵活性：FPGA的逻辑单元阵列提供了极高的灵活性，能够实现复杂的逻辑功能。
• 时序延迟：由于其复杂的布线结构，FPGA的时序延迟具有不可预测性，这在某些高速应用中可能会成为瓶颈。
• 配置与保密性：FPGA的配置数据通常存储在外部配置芯片中，这意味着配置数据在掉电后会丢失。因此，FPGA的保密性相对较弱，配置数据流容易被黑客截获。

四、CPLD与FPGA的对比

特性	CPLD	FPGA
逻辑结构	适合触发器有限、乘积项丰富的结构	适合复杂逻辑功能，逻辑单元阵列提供高灵活性
时序延迟	均匀且可预测	不可预测
配置与保密性	配置内容掉电不丢失，保密性好	配置数据存储于外部芯片，保密性差
应用场景	高速组合逻辑、小型系统设计	复杂系统设计、大规模逻辑功能

五、总结

CPLD和FPGA作为高密度可编程逻辑器件，各有其独特的特点和应用场景。CPLD更适合于触发器有限、乘积项丰富的结构，其时序延迟均匀且可预测，配置内容掉电不丢失，因此在高速应用和保密性要求较高的场景中表现出色。而FPGA则以其高度的灵活性和强大的逻辑功能，适用于复杂系统设计和大规模逻辑实现，尽管其时序延迟不可预测且保密性相对较弱。选择合适的器件需要根据具体的应用需求进行权衡。