FPGA/CPLD基本结构及原理

**FPGA/CPLD基本结构及原理** FPGA（Field-Programmable Gate Array）和CPLD（Complex Programmable Logic Device）是两种常见的可编程逻辑器件，它们被广泛应用于电子设计领域，允许设计师根据需求定制电路功能。下面将详细阐述它们的结构、原理以及编程方法。 ### 1. FPGA和CPLD的区别 FPGA是由大量的可编程逻辑块（CLB）、输入/输出块（IOB）以及可编程互连资源组成的。这些逻辑块可以配置为任何类型的逻辑门，如与门、或门、非门、触发器等，通过内部连线资源实现复杂的数字逻辑功能。FPGA的特点是灵活性高，适用于原型验证和快速迭代设计，但通常功耗较高。 CPLD则由多个固定的逻辑阵列（Logic Array Block，LAB）组成，每个LAB包含一组可编程逻辑宏单元（LMC），LMC内部有与阵列、或阵列、触发器等基本逻辑元件。CPLD的结构更为紧凑，集成度较低，但相对于FPGA，其速度较快，功耗较小，更适合小规模到中等规模的逻辑设计。 ### 2. FPGA的编程技术 #### (1) 熔丝（Fuse）和反熔丝（Anti-fuse）编程 熔丝编程技术通过熔断熔丝来断开电路，实现逻辑功能。反熔丝技术则是通过编程电压连接原本断开的电路。Actel的FPGA采用反熔丝结构，只能编程一次，适合设计初期的灵活性需求。 #### (2) 浮栅型电可写紫外线擦除编程 这种技术利用浮栅管的导通或截止状态来实现逻辑功能。浮栅管可通过注入电子改变其状态，紫外线照射可以擦除信息。早期的PROM（Programmable Read-Only Memory）设备采用这种技术，优点是可以重复编程，但速度较慢，功耗大。 #### (3) 浮栅型电可写电擦除编程（E2PROM） E2PROM技术利用隧道效应在浮栅与漏极间进行电子转移，实现编程和擦除。这种技术常见于CPLD，允许用户现场编程，但同样存在速度慢和功耗大的问题。 #### (4) SRAM编程 SRAM型FPGA的编程数据在断电后会丢失，需要外部存储器（如EEPROM）来保存编程数据。优点在于可以实现系统功能的动态重构，但每次上电都需要重新加载编程数据。 ### 3. CPLD的基本原理 CPLD由LAB、I/O控制模块和PIA（可编程内部连线）组成。LAB由多个LMC构成，每个LMC包含与阵列、或阵列和触发器等，可以根据需求配置。I/O控制模块负责输入输出信号的管理和转换，PIA则负责内部逻辑块之间的连接。 ### 4. 逻辑阵列（LAB）和宏单元（LMC） LMC是CPLD的基本构建块，可以配置为组合逻辑或时序逻辑。LMC内部的与阵列、或阵列和触发器可以通过编程实现各种逻辑操作，如乘积项（AND terms）和或项（OR terms）的组合。 ### 结论 FPGA和CPLD是现代数字电路设计中不可或缺的工具，它们的可编程性使得设计师能够快速适应不断变化的设计需求。通过理解其基本结构和编程原理，设计师可以选择最合适的器件来实现特定的应用场景。无论是FPGA的灵活配置还是CPLD的高效性能，都为电子系统设计提供了强大的支持。