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CPLD、FPGA、DSP的联系和区别

导读: ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM也是单片机。

ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM也是单片机。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器,基本是32位单片机的行业标准,它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案,四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。

CPLD、FPGA、DSP的联系与区别

由于所有产品均采用一个通用的软件体系,所以相同的软件可在所有产品中运行。目前ARM在手持设备市场占有90以上的份额,可以有效地缩短应用程序开发与测试的时间,也降低了研发费用。

DSP(digital singnal processor)是 一种独特的微处理器,有自己的完整指令系统,是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄 存器以及一定数量的存储单元等等,在其外围还可以连接若干存储器,并可以与一定数量的外部设备互相通信,有软、硬件的全面功能,本身就是一个微型计算机。

DSP采 用的是哈佛设计,即数据总线和地址总线分开,使程序和数据分别存储在两个分开的空间,允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可 取出下一条指令,并进行译码,这大大的提高了微处理器的速度 。另外还允许在程序空间和数据空间之间进行传输,因为增加了器件的灵活性。其工作原理是接收模拟信号,转换为0或1的数字信号,再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

CPLD、FPGA、DSP的联系与区别

它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强,速度很快,体积很小,而且采用软件编程具有高度的灵活性,因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点:

(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;

(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;

(3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;

(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;

(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;

(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;

(7)可以并行执行多个操作;

(8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

当然,与通用微处理器相比,DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

FPGA(Field Programmable Gate Array)(现场可编程门阵列)的缩写,它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。

用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路,FPGA既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲,FPGA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FPGA来实现。FPGA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FPGA的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA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。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

那么它们的区别有哪些呢?

ARM具有比较强的事务管理功能,可以用来跑界面以及应用程序等,其优势主要体现在控制方面,而DSP主要是用来计算的,比如进行加密解密、调制解调等,优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。FPGA可以用VHDL或verilogHDL来编程,灵活性强,由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作,因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时,更能显示出FPGA的优势,其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命,而这种能力可以用来进行系统升级或除错。

作为Processor,这几种器件有什么有优缺点。

其实C51,ARM,DSP都不是单独作为芯片来提供给用户的,都要加一些外围电路来支持。

例如:memory controller,interrupt controller,timer,UART,SPI,I2C等等。

所以要比较最好从processor的角度来比较他们。

(1). C51是8位的;ARM是32位的;DSP有16位的,也有更高的。

(2).所有说从运算能力上看,C51最弱,DSP最强,ARM居中。

(3).结构差别较大,C51最简单,是一般的冯诺伊曼结构;ARM9以上是哈佛结构的RISC;DSP一般使用哈佛结构。

(4).C51一般芯片面积非常小,工作频率很低(一般是10多MHz,有的是24MHz),所以功耗低。DSP则频率很高(高的达到300MHz以上),所以功耗大。ARM芯片面积也很小,ARM7是0.55平方毫米,功耗也比较小。频率大约在(几十到200MHz之间)

(5).所以一般C51主要应用于不需要太多计算量的控制类系统。一般配有丰富的外围module。DSP则主要应用于需要进行复杂计算的高端系统,例如图像处理,加密解密,导航系统等,外围module一般较少。ARM是C51和DSP之间的一个折衷。

(6).强调一点:C51的性能远不如ARM和DSP,但仍然占据重要的一席之地,原因就是性能价格比。因为它太成熟了,太小了,太便宜了。而在一些需要复杂计算的领域,DSP也不可或缺。ARM的成功就是他找到了一个折衷点,并且建立了一个非常灵活的商业模型。

CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件, 是从PAL和GAL器件发展出来的器件,相对而言规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。 其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中,实 现设计的数字系统.

FPGA和CPLD的区别

FPGA与 CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法是:将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD,如Lattice的 ispLSI系列、Xilinx的XC9500系列、Altera的MAX7000S系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。

将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA,如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。

尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件,有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异,具有各自的特点:

①CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA更适合于完成时序逻辑。换句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。

②CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。

③在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。

④FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。

⑤CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM或FASTFLASH技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。

⑥CPLD的速度比FPGA快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程,并且CLB之间采用分布式互联,而CPLD是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。

⑦在编程方式上,CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。

⑧CPLD保密性好,FPGA保密性差。

⑨一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明显。

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