1. Что такое микросхема CPLD?
Комплексное программируемое логическое устройство (CPLD) - это тип интегральной схемы, обеспечивающий высокую степень программируемости для реализации цифровых логических функций. По сложности и функциональности она находится между простыми программируемыми логическими устройствами (SPLD) и полевыми программируемыми вентильными матрицами (FPGA). По своей сути CPLD состоят из множества макроячеек, которые служат строительными блоками для реализации логики. Эти макроячейки могут выполнять комбинационные или последовательные логические операции, что позволяет реализовать широкий спектр цифровых схем.
2. История и вехи развития CPLD
Разработка CPLD стала важной вехой в эволюции программируемых логических устройств. В 1980-х годах, по мере развития цифровой электроники, росла потребность в более гибких и мощных логических устройствах. Компания Altera сыграла решающую роль в развитии CPLD. В середине 1980-х годов компания Altera представила концепцию CPLD, основываясь на технологии устройств Programmable Array Logic (PAL).
Устройство MAX5000, выпущенное компанией Altera в 1988 году, стало одним из первых коммерчески успешных CPLD. Это устройство объединяло несколько PAL-подобных блоков в одном чипе, значительно увеличивая логическую емкость и гибкость по сравнению с традиционными SPLD. Со временем на рынок CPLD вышли и другие крупные полупроводниковые компании, такие как Xilinx, что способствовало дальнейшим инновациям и совершенствованию технологии CPLD. В результате CPLD стали важным компонентом многих цифровых систем, предлагая экономичное и эффективное решение для широкого спектра приложений.
3. Архитектура CPLD
Архитектура CPLD разработана таким образом, чтобы обеспечить баланс между гибкостью и производительностью. В своей основе CPLD состоит из нескольких макроячеек, массива программируемых межсоединений (PIA) и блоков ввода-вывода (I/O).
3.1 Макроячейки
Макроячейки - это функциональные блоки CPLD. Каждая макроячейка обычно содержит комбинацию вентилей И и ИЛИ, расположенных в массиве, а также флип-флопы для реализации последовательной логики. Плоскость И в макроячейке CPLD может принимать входные сигналы от блоков ввода-вывода, других макроячеек или внутренних сигналов. Эти входы объединяются с помощью затворов AND, а затем результирующие члены поступают в массив OR. Мультиплексор используется для выбора соответствующего выхода из массива ИЛИ, который может быть либо непосредственно выведен, либо сохранен в флип - флопе для последовательной работы. Кроме того, макроячейки могут включать в себя другие функции, такие как главный сигнал сброса, выбираемое исключающее ИЛИ и возможность программирования полярности выхода.
3.2 Программируемый межсоединений массив (PIA)
PIA - это матрица соединительных проводов, которая служит коммуникационной сетью внутри CPLD. Она позволяет направлять сигналы от различных макроячеек к другим макроячейкам, блокам ввода/вывода или внутренним ресурсам. PIA является программируемой, что позволяет разработчикам конфигурировать соединения между различными элементами CPLD в соответствии с их конкретными требованиями к проектированию. Такая программируемость обеспечивает гибкость при создании сложных цифровых схем с различными схемами прохождения сигналов.
3.3 Блоки ввода/вывода (I/O)
Блоки ввода-вывода в CPLD отвечают за взаимодействие устройства с внешним миром. Они обеспечивают необходимые электрические характеристики для передачи и приема сигналов от внешних компонентов, таких как другие интегральные схемы, датчики или исполнительные механизмы. Блоки ввода/вывода могут быть настроены на работу в различных режимах, таких как только ввод, только вывод или двунаправленный. Кроме того, они обычно включают такие функции, как преобразование напряжения и уровня, управление буферной прочностью выхода и схемы защиты входа для обеспечения надежной связи с внешними устройствами.
4. Принцип работы сложного программируемого логического устройства (CPLD)
Работа CPLD основана на принципе программирования его внутренних логических элементов и межсоединений. Для описания желаемой цифровой схемы проектировщики используют языки описания аппаратуры (HDL), такие как VHDL или Verilog. Затем эти описания обрабатываются цепочкой инструментов проектирования, включающей синтезатор, инструмент размещения и маршрутизации и программатор.
Синтезатор принимает HDL-код и преобразует его в нетлист, который представляет собой логические связи между различными компонентами CPLD. Затем инструмент размещения и маршрутизации берет этот нетлист и наносит его на реальные физические ресурсы CPLD, определяя расположение каждой макроячейки и маршрутизацию сигналов через PIA. Наконец, устройство-программатор используется для загрузки конфигурационных данных, которые определяют запрограммированное состояние CPLD, во внутреннюю память устройства.
После программирования CPLD работает в соответствии с настроенной логикой. Входные сигналы поступают на блоки ввода/вывода и через PIA направляются в соответствующие макроячейки. Макроячейки выполняют необходимые логические операции над этими входными сигналами, а результирующие выходные сигналы возвращаются через PIA к блокам ввода/вывода для вывода во внешний мир.
5. Ключевые особенности сложных программируемых логических устройств (CPLD)
5.1 Высокая логическая емкость
CPLD обладают относительно большим количеством логических вентилей по сравнению с SPLD. Если SPLD обычно имеют несколько сотен вентилей, то CPLD могут иметь от тысяч до десятков тысяч вентилей. Увеличение логической емкости позволяет реализовывать более сложные цифровые схемы, такие как автоматы состояний, декодеры и маломасштабные системы управления.
5.2 Гибкость
Программируемость CPLD обеспечивает высокую степень гибкости. Проектировщики могут легко изменять логические функции, реализованные в CPLD, просто перепрограммируя устройство. Такая гибкость особенно полезна в процессе проектирования и разработки, поскольку позволяет быстро вносить изменения в схему. Кроме того, возможность конфигурирования взаимосвязей между макроячейками и блоками ввода/вывода с помощью PIA позволяет создавать пользовательские цифровые схемы, отвечающие конкретным требованиям приложений.
5.3 Энергонезависимая память
Для хранения данных конфигурации в CPLD используются технологии энергонезависимой памяти, такие как электрически стираемая программируемая память только для чтения (EEPROM) или флэш-память. Это означает, что запрограммированное состояние CPLD сохраняется даже при выключении питания устройства. В результате CPLD не требуют внешнего устройства памяти конфигурации и могут начать работу сразу после включения питания, что упрощает проектирование системы и снижает общую стоимость.
5.4 Простота перепрограммирования
CPLD можно многократно перепрограммировать, часто по относительно низкой цене. Такая простота перепрограммирования позволяет разработчикам вносить изменения в схему в полевых условиях, исправлять ошибки или добавлять новые функции без необходимости замены всего устройства. Это также делает CPLD подходящими для прототипирования и разработки, где требуется быстрое выполнение проектных итераций.
5.5 Детерминированная синхронизация
По сравнению с ПЛИС, CPLD обычно обладают более детерминированными временными характеристиками. Более простая архитектура CPLD, с меньшим количеством межсоединений и более простой схемой маршрутизации сигналов, приводит к более предсказуемым задержкам распространения сигналов. Это облегчает разработчикам проведение анализа временных характеристик и гарантирует, что цифровая схема соответствует требуемым временным характеристикам, что очень важно для таких приложений, как системы управления в реальном времени.
6. Преимущества CPLD
6.1 Стоимость - эффективность
Для приложений, не требующих чрезвычайно высокой плотности логики или сложной функциональности, CPLD являются экономически эффективным решением. Относительно простая архитектура и более низкая стоимость производства по сравнению с ПЛИС делают их привлекательным вариантом для проектов, где стоимость является существенным фактором. Кроме того, возможность перепрограммирования CPLD снижает потребность в многочисленных заказных интегральных схемах, что еще больше снижает затраты.
6.2 Быстрый цикл разработки
Использование HDL и наличие мощных инструментов проектирования для CPLD обеспечивают быструю разработку. Проектировщики могут быстро создавать прототипы и тестировать свои цифровые схемы, сокращая общее время разработки. Простота перепрограммирования также позволяет быстро вносить изменения и улучшения в конструкцию, способствуя ускорению вывода продукции на рынок.
6.3 Низкое энергопотребление
Многие CPLD разработаны для работы с низким энергопотреблением, что делает их пригодными для использования в приложениях с батарейным питанием или чувствительных к энергопотреблению. Энергонезависимая память, используемая в CPLD, также способствует низкому энергопотреблению, поскольку нет необходимости постоянно обновлять конфигурационные данные, как это происходит в некоторых устройствах на основе энергонезависимой памяти.
6.4 Высокая надежность
Непостоянство CPLD гарантирует, что запрограммированная логика не будет потеряна из-за отключения питания или других сбоев. Кроме того, относительно простая архитектура CPLD снижает вероятность отказа компонентов, что приводит к созданию более надежных цифровых схем. Такая высокая надежность необходима для приложений, где простои системы недопустимы, например, в промышленных системах управления или медицинских приборах.
7. Области применения CPLD
7.1 Цифровое логическое управление
CPLD широко используются в приложениях цифрового логического управления. С их помощью можно реализовать логику управления для различных систем, таких как управление двигателями, управление освещением и промышленная автоматизация. Например, в системе управления двигателем CPLD может использоваться для генерации управляющих сигналов, необходимых для регулирования скорости и направления вращения двигателя на основе входных команд и сигналов обратной связи.
7.2 Декодирование памяти
В компьютерных системах и других цифровых устройствах CPLD часто используются для декодирования памяти. Они могут быть запрограммированы на декодирование адресов памяти и генерацию соответствующих сигналов выбора микросхемы для доступа к различным устройствам памяти, таким как ОЗУ, ПЗУ или флэш-память. Это помогает управлять иерархией памяти и обеспечивать надлежащую связь между процессором и памятью.
7.3 Интерфейсная логика
CPLD идеально подходят для реализации интерфейсной логики между различными компонентами цифровой системы. Они могут использоваться для преобразования между различными уровнями сигналов, протоколами и форматами данных. Например, в системе, где микроконтроллер должен взаимодействовать с высокоскоростным устройством последовательного интерфейса, CPLD может быть использована для реализации необходимой интерфейсной логики, обеспечивающей бесперебойную связь.
7.4 Загрузочный загрузчик и конфигурация
В некоторых системах CPLD могут использоваться в качестве загрузчиков. Они могут быть запрограммированы на инициализацию аппаратного обеспечения системы, загрузку основного программного обеспечения в память системы и начало работы системы. Кроме того, CPLD могут использоваться для конфигурирования других программируемых устройств в системе, например ПЛИС, путем предоставления данных начальной конфигурации.
7.5 Маломасштабная обработка сигналов
CPLD также могут использоваться для решения небольших задач обработки сигналов, таких как простая фильтрация, кодирование и декодирование. Хотя они не обладают такой же вычислительной мощностью, как специализированные цифровые сигнальные процессоры (DSP), CPLD могут быть достаточными для приложений, где требования к обработке сигналов относительно просты, а экономичность является приоритетом.
8. Как выбрать CPLD?
8.1 Логическая емкость
Первый и самый важный фактор, который необходимо учитывать при выборе CPLD, - это требуемая логическая емкость. Оцените количество логических вентилей, флип-флопов и других ресурсов, необходимых для вашего приложения. Выбирайте CPLD, обладающую достаточными ресурсами для реализации вашего проекта с некоторым запасом на будущее расширение. Однако избегайте завышения логической емкости, так как это может привести к увеличению стоимости и увеличению размеров устройства.
8.2 Требования к вводу/выводу
Определите количество и тип контактов ввода/вывода (I/O), необходимых для вашего приложения. Учитывайте уровни напряжения, возможности по току и типы сигналов, которые должны быть подключены к CPLD. Убедитесь, что выбранный CPLD имеет достаточно выводов ввода/вывода и поддерживает необходимые стандарты ввода/вывода для обеспечения надлежащей связи с внешними устройствами.
8.3 Скорость и временные характеристики
Для приложений, в которых критична синхронизация, таких как высокоскоростные цифровые схемы или системы управления в реальном времени, скорость и временные характеристики CPLD имеют решающее значение. Обратите внимание на максимальную тактовую частоту, задержки распространения, время установки и удержания CPLD. Убедитесь, что CPLD удовлетворяет временным требованиям вашего проекта, чтобы избежать проблем с целостностью сигнала и функциональностью.
8.4 Потребление энергии
Если ваше приложение чувствительно к питанию, например устройство с батарейным питанием, обратите внимание на энергопотребление CPLD. Ищите CPLD, которые предлагают режимы работы с низким энергопотреблением, такие как режим ожидания или спящий режим, чтобы минимизировать потребление энергии, когда устройство не активно обрабатывает данные. Сравните характеристики энергопотребления различных CPLD, чтобы найти тот, который лучше всего соответствует вашим требованиям к энергопотреблению.
8.5 Стоимость
Стоимость всегда является важным фактором при разработке. Сравните цены на различные CPLD от разных производителей. Учитывайте не только начальную стоимость устройства, но и стоимость инструментов разработки, оборудования для программирования и любых дополнительных компонентов, необходимых для проектирования. Иногда немного более дорогой CPLD с лучшими характеристиками или функциями может оказаться более экономичным выбором в долгосрочной перспективе, если он упрощает общую конструкцию и снижает потребность в дополнительных компонентах.
8.6 Средства разработки и поддержка
Выбирайте CPLD, которые поддерживаются полным набором средств разработки. Эти средства должны включать компилятор языка описания аппаратуры, симулятор, инструмент для размещения и маршрутизации, а также программатор. Хорошие средства разработки могут значительно упростить процесс проектирования и повысить производительность команды разработчиков. Кроме того, обратите внимание на уровень технической поддержки, предоставляемой производителем, включая документацию, онлайн-ресурсы и службы поддержки клиентов.
9. CPLD по сравнению с ПЛИС
9.1 Логическая емкость
ПЛИС обычно обладают гораздо большей логической емкостью по сравнению с CPLD. В то время как CPLD обычно имеют от тысяч до десятков тысяч вентилей, ПЛИС могут иметь от сотен тысяч до миллионов вентилей. Это делает ПЛИС пригодными для создания очень сложных цифровых схем, таких как высокопроизводительные вычислительные системы, алгоритмы цифровой обработки сигналов и сложные коммуникационные протоколы. CPLD, с другой стороны, больше подходят для более простых логических функций и цифровых систем небольшого масштаба.
9.2 Архитектура и гибкость
Архитектура ПЛИС основана на море затворов или матрице логических элементов, которые соединены очень гибкой сетью маршрутизации. Это позволяет чрезвычайно тонко настраивать цифровую схему, позволяя разработчикам реализовывать очень сложные и уникальные архитектуры. В отличие от них, CPLD имеют более крупнозернистую архитектуру, с большими макроячейками, соединенными программируемым массивом межсоединений. Хотя CPLD обеспечивают определенную гибкость, они не так гибки, как FPGA, с точки зрения создания высоконастраиваемых цифровых схем.
9.3 Память и конфигурация
Для хранения конфигурационных данных в ПЛИС обычно используется энергонезависимая память, например статическая память с произвольным доступом (SRAM). Это означает, что конфигурация теряется при отключении питания, и ПЛИС необходимо заново конфигурировать из внешнего источника памяти, например флэш-памяти, при каждом включении питания. Это может привести к увеличению времени загрузки. CPLD, с другой стороны, используют энергонезависимую память, поэтому они сохраняют свою конфигурацию даже при выключении питания и могут начать работу сразу после включения.
9.4 Производительность
ПЛИС обычно предлагают более высокую производительность в плане скорости обработки и параллелизма для сложных приложений. Они могут быть разработаны для обработки высокоскоростных потоков данных и одновременного выполнения нескольких операций. Однако CPLD также могут обеспечить хорошую производительность для более простых приложений, а их более детерминированные временные характеристики могут быть преимуществом в некоторых случаях, когда требуется точная синхронизация.
9.5 Стоимость
CPLD обычно дешевле, чем FPGA, особенно в приложениях с низкими требованиями к логике. Более простая архитектура и низкая стоимость производства CPLD делают их более экономически эффективным выбором для многих проектов. ПЛИС, напротив, дороже из-за более высокой логической емкости, более сложной архитектуры и необходимости во внешней конфигурационной памяти.
10. SPLD в сравнении с CPLD
10.1 Логическая сложность
Простые программируемые логические устройства (SPLD), такие как программируемые массивы логики (PAL) и программируемые массивы логики (PLA), имеют относительно низкую логическую сложность. Они обычно состоят из фиксированного числа логических вентилей, расположенных в простой структуре, например, массив вентилей AND, за которым следует массив вентилей OR. CPLD, с другой стороны, состоят из множества макроячеек, которые могут выполнять более сложные логические функции и могут быть соединены между собой более гибким образом. Это позволяет CPLD реализовывать гораздо более сложные цифровые схемы по сравнению с SPLD.
10.2 Программируемость
И SPLD, и CPLD программируются, но степень программируемости различна. SPLD обычно имеют ограниченное количество программируемых элементов, и их программирование часто ограничивается определенным набором функций или конфигураций. CPLD обладают более высокой степенью программируемости, позволяя программировать не только логические функции внутри макроячеек, но и связи между макроячейками и блоками ввода-вывода через программируемый массив межсоединений. Это обеспечивает большую гибкость при проектировании цифровых схем.
10.3 Логическая емкость
Как уже упоминалось, SPLD имеют относительно небольшое количество логических вентилей, обычно в пределах нескольких сотен. CPLD с их многочисленными макроячейками и более крупной внутренней архитектурой могут иметь от тысяч до десятков тысяч вентилей, что обеспечивает гораздо большую логическую емкость. Это делает CPLD подходящими для более сложных приложений, требующих реализации большего количества логики на одном устройстве.
10.4 Стоимость и энергопотребление
SPLD обычно дешевле, чем CPLD, благодаря более простой конструкции и более низкой стоимости производства. Они также имеют более низкое энергопотребление, особенно в тех приложениях, где требования к логике минимальны. Однако в более сложных приложениях необходимость использования нескольких SPLD для достижения той же функциональности, что и у одной CPLD, может нивелировать преимущества в стоимости и энергопотреблении, делая CPLD в некоторых случаях более экономичным и энергоэффективным выбором.