FPGA和CPLD差異分析

FPGA 是一種以數(shù)字電路為主的集成芯片，于 1985 年由 Xilinx 創(chuàng)始人之一 Ross Freeman 發(fā)明，屬于可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）的一種。

FPGA 比 CPLD 早幾年問(wèn)世，與 CPLD 并稱為高密度可編程邏輯器件，但它們有著本質(zhì)的區(qū)別。FPGA 芯片的內(nèi)部架構(gòu)并沒(méi)有沿用類似 PLA 的結(jié)構(gòu)，而是采用了邏輯單元陣列（Logic Cell Array，LCA）這樣一個(gè)概念，改變了以往 PLD 器件大量使用與門、非門的思想，主要使用查找表和寄存器。

除此之外，F(xiàn)PGA 和 CPLD 在資源類型、速度等方面也存在差異，如下表所示。

FPGA 的類型從內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)理來(lái)講，可以分為基于 SRAM 技術(shù)、基于反熔絲技術(shù)、基于 EEPROM/Flash 技術(shù)。就電路結(jié)構(gòu)來(lái)講，F(xiàn)PGA 可編程是指三個(gè)方面的可編程：可編程邏輯塊、可編程 I/O、可編程布線資源。可編程邏輯塊是 FPGA 可編程的核心，我們上面提到的三種技術(shù)也是針對(duì)可編程邏輯塊的技術(shù)。

FPGA 的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。

FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是一種可編程邏輯器件，具有靈活性和可重構(gòu)性，通常用于數(shù)字電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。FPGA的基本結(jié)構(gòu)包括以下幾個(gè)主要部分：

1. 邏輯單元（Logic Blocks）：邏輯單元是 FPGA 中的基本邏輯單元，用于實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。邏輯單元通常包括查找表（Look-Up Table，LUT）、寄存器、加法器等，可以根據(jù)需要配置不同的邏輯功能。

2. 可編程互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Programmable Interconnect）：可編程互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接了邏輯單元之間的信號(hào)傳輸路徑。通過(guò)配置互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)邏輯單元之間的靈活連接，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜邏輯功能。

3. 輸入/輸出模塊（IO Blocks）：輸入/輸出模塊用于與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括輸入輸出引腳、時(shí)鐘管理單元等。IO Blocks 提供了 FPGA 與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口。

4. 時(shí)鐘管理單元（Clock Management）：時(shí)鐘管理單元用于生成各種時(shí)鐘信號(hào)，并對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻、延遲、對(duì)齊等操作，以確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和性能滿足要求。

5. 存儲(chǔ)單元（Memory Blocks）：存儲(chǔ)單元包括片上存儲(chǔ)器等，用于存儲(chǔ)配置信息、中間結(jié)果數(shù)據(jù)和其他需要的存儲(chǔ)內(nèi)容，提供了額外的存儲(chǔ)資源。

6. 配置存儲(chǔ)器（Configuration Memory）：配置存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ) FPGA 的配置位流（Configuration Bitstream），即描述 FPGA 邏輯功能和互聯(lián)的配置信息，通過(guò)加載配置位流實(shí)現(xiàn)對(duì) FPGA 的編程和配置。

7. 全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)（Global Clock Network）：全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)為 FPGA 提供整體的時(shí)鐘分配和管理功能，確保設(shè)計(jì)中的時(shí)序要求得到滿足。

fpga主要性能指標(biāo)

FPGA 的性能指標(biāo)主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 邏輯容量（Logic Capacity）：邏輯容量指的是 FPGA 中可用于實(shí)現(xiàn)邏輯功能的邏輯單元數(shù)量。它決定了 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和規(guī)模，通常以邏輯單元數(shù)或等效門數(shù)（Equivalent Logic Cells）來(lái)衡量。

2. 時(shí)鐘頻率（Clock Frequency）：時(shí)鐘頻率表示 FPGA 設(shè)備能夠支持的最高工作時(shí)鐘頻率，決定了 FPGA 設(shè)備在工作時(shí)能夠達(dá)到的最高速度。時(shí)鐘頻率通常以赫茲（Hz）為單位。

3. 資源利用率（Resource Utilization）：資源利用率表示 FPGA 中邏輯單元、存儲(chǔ)單元等資源的使用情況，包括邏輯單元使用率、存儲(chǔ)塊利用率等，用于評(píng)估設(shè)計(jì)在 FPGA 中的資源占用情況。

4. 時(shí)序性能（Timing Performance）：時(shí)序性能包括各種時(shí)序相關(guān)的指標(biāo)，如最長(zhǎng)組合邏輯延遲、時(shí)序收斂等，決定了 FPGA 設(shè)備能夠滿足的時(shí)序約束和穩(wěn)定工作的能力。

5. 功耗（Power Consumption）：功耗是衡量 FPGA 設(shè)備能耗的重要指標(biāo)，通常分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分，影響 FPGA 在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的能耗和熱管理需求。

6. 輸入/輸出資源（IO Resources）：輸入/輸出資源包括 FPGA 設(shè)備提供的輸入輸出引腳數(shù)目、支持的通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)、不同類型的輸入輸出模式等，影響 FPGA 在與外部系統(tǒng)、芯片或器件連接時(shí)的靈活性和適用性。

7. 可編程性（Programmability）：可編程性指的是 FPGA 設(shè)備在配置、重配置和部署時(shí)的靈活性和便利性，包括配置速度、配置接口、支持的配置技術(shù)（如SRAM、FLASH等）等。

8. 硬核功能（Hard IP）：硬核功能是 FPGA 芯片內(nèi)置的專用功能模塊，如硬核處理器、乘法器、DSP單元等，用于特定應(yīng)用場(chǎng)景或性能需求，對(duì)于特定領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

審核編輯：黃飛