可編程邏輯器件的演進與對比分析
目錄
- 離散邏輯芯片與早期PLD的限制
- CPLD的誕生與結構特點
- FPGA的架構創新
- CPLD與FPGA的核心差異
- 總結
1. 離散邏輯芯片與早期PLD的限制
在還沒有發明出可編程邏輯器件（PLD: Programmable Logic Device）之前，設計師們只能使用一些專用的小芯片來搭建系統，這些小芯片被稱為離散邏輯芯片。
這些早期的PLD產品日漸不能滿足人們的需求，于是新的可編程邏輯器件誕生了。
2. CPLD的誕生與結構特點
這種新器件的名字叫CPLD，英文全稱Complex Programmable Logic Device，翻譯成中文即復雜可編程邏輯器件。CPLD可以看成是PLA器件結構的延續。
在CPLD芯片的四周，分布著一系列稱為宏單元的邏輯塊，而芯片的中間部分則分布著一個連接矩陣，用于在各個邏輯塊之間建立連接。
每一個邏輯塊的內部結構與PLA非常類似，所以一個CPLD器件也可以被看成集成了若干個PLA和一個可編程連接矩陣的芯片。
3. FPGA的架構創新
FPGA和CPLD并稱為高密度可編程邏輯器件，但是，它們有著本質的不同。FPGA芯片的內部架構相對于以往的可編程邏輯器件有著本質的變革，它并沒有沿用類似PLA的結構，而是采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，一改以往PLD器件大量使用與門、非門的思路，而是大量使用查找表和寄存器等元素。
4. CPLD與FPGA的核心差異
- ① 結構適用性：CPLD更適合于觸發器有限而乘積項豐富的結構
- ② 時序性能：由于布線結構不同，CPLD時序延遲是均勻的和可預測的，而FPGA的時序延遲則具有不可預測性，所以CPLD的速度會比FPGA更快
- ③ 使用便捷性與安全性：CPLD使用起來較方便，因為配置內容掉電不丟失，一般不需要外加配置芯片，所以CPLD保密性好，而FPGA的配置數據流容易被黑客截獲，所以保密性差
5. 總結
本文系統梳理了從離散邏輯芯片到PLD、再到CPLD和FPGA的技術演進歷程。CPLD作為PLA結構的延續，通過宏單元和連接矩陣實現了復雜邏輯功能；而FPGA則采用革命性的LCA架構，以查找表和寄存器為基礎實現了更高的靈活性。兩者在結構特點、時序性能和安全性方面存在顯著差異：CPLD在確定性時序和安全性方面表現更優，而FPGA則在高密度和靈活性方面更具優勢。
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