CPLD、FPGA、DSP的聯(lián)系和區(qū)別？

　　ARM(Advanced RISC Machines)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM也是單片機。ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC微處理器，基本是32位單片機的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供一系列內(nèi)核、體系擴展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案，四個功能模塊可供生產(chǎn)廠商根據(jù)不同用戶的要求來配置生產(chǎn)。

　　由于所有產(chǎn)品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行。目前ARM在手持設(shè)備市場占有90以上的份額，可以有效地縮短應(yīng)用程序開發(fā)與測試的時間，也降低了研發(fā)費用。

　　DSP(digital singnal processor)是 一種獨特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。一個數(shù)字信號處理器在一塊不大的芯片內(nèi)包括有控制單元、運算單元、各種寄 存器以及一定數(shù)量的存儲單元等等，在其外圍還可以連接若干存儲器，并可以與一定數(shù)量的外部設(shè)備互相通信，有軟、硬件的全面功能，本身就是一個微型計算機。

　　DSP采 用的是哈佛設(shè)計，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲在兩個分開的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊。也就是說在執(zhí)行上一條指令的同時就可 取出下一條指令，并進(jìn)行譯碼，這大大的提高了微處理器的速度 。另外還允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間進(jìn)行傳輸，因為增加了器件的靈活性。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。

　　它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。由于它運算能力很強，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具有高度的靈活性，因此為從事各種復(fù)雜的應(yīng)用提供了一條有效途徑。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點：

　　(1)在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法;

　　(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù);

　　(3)片內(nèi)具有快速RAM，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問;

　　(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持;

　　(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持;

　　(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器;

　　(7)可以并行執(zhí)行多個操作;

　　(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

　　當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些。

　　FPGA(Field Programmable Gate Array)(現(xiàn)場可編程門陣列)的縮寫，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路(ASIC)中集成度最高的一種。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。

　　用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，F(xiàn)PGA既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用FPGA來實現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設(shè)計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時修改設(shè)計而不必改動硬件電路。使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此工作時需要對片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活?？梢哉f，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

　　那么它們的區(qū)別有哪些呢?

　　ARM具有比較強的事務(wù)管理功能，可以用來跑界面以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制方面，而DSP主要是用來計算的，比如進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢是強大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度。FPGA可以用VHDL或verilogHDL來編程，靈活性強，由于能夠進(jìn)行編程、除錯、再編程和重復(fù)操作，因此可以充分地進(jìn)行設(shè)計開發(fā)和驗證。當(dāng)電路有少量改動時，更能顯示出FPGA的優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品在市場上的壽命，而這種能力可以用來進(jìn)行系統(tǒng)升級或除錯。

　　作為Processor，這幾種器件有什么有優(yōu)缺點。

　　其實C51，ARM，DSP都不是單獨作為芯片來提供給用戶的，都要加一些外圍電路來支持。

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

　　所以要比較最好從processor的角度來比較他們。

　　(1). C51是8位的;ARM是32位的;DSP有16位的，也有更高的。

　　(2).所有說從運算能力上看，C51最弱，DSP最強，ARM居中。

　　(3).結(jié)構(gòu)差別較大，C51最簡單，是一般的馮諾伊曼結(jié)構(gòu);ARM9以上是哈佛結(jié)構(gòu)的RISC;DSP一般使用哈佛結(jié)構(gòu)。

　　(4).C51一般芯片面積非常小，工作頻率很低(一般是10多MHz，有的是24MHz)，所以功耗低。DSP則頻率很高(高的達(dá)到300MHz以上)，所以功耗大。ARM芯片面積也很小，ARM7是0.55平方毫米，功耗也比較小。頻率大約在(幾十到200MHz之間)

　　(5).所以一般C51主要應(yīng)用于不需要太多計算量的控制類系統(tǒng)。一般配有豐富的外圍module。DSP則主要應(yīng)用于需要進(jìn)行復(fù)雜計算的高端系統(tǒng)，例如圖像處理，加密解密，導(dǎo)航系統(tǒng)等，外圍module一般較少。ARM是C51和DSP之間的一個折衷。

　　(6).強調(diào)一點：C51的性能遠(yuǎn)不如ARM和DSP，但仍然占據(jù)重要的一席之地，原因就是性能價格比。因為它太成熟了，太小了，太便宜了。而在一些需要復(fù)雜計算的領(lǐng)域，DSP也不可或缺。ARM的成功就是他找到了一個折衷點，并且建立了一個非常靈活的商業(yè)模型。

　　CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件， 是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。 其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實 現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng).

　　FPGA和CPLD的區(qū)別

　　FPGA與 CPLD的辨別和分類主要是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和工作原理。通常的分類方法是：將以乘積項結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成邏輯行為的器件稱為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。

　　將以查表法結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成邏輯行為的器件稱為FPGA，如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。

　　盡管FPGA和CPLD都是可編程ASIC器件,有很多共同特點,但由于CPLD和FPGA結(jié)構(gòu)上的差異,具有各自的特點:

　?、貱PLD更適合完成各種算法和組合邏輯,FPGA更適合于完成時序邏輯。換句話說,FPGA更適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu),而CPLD更適合于觸發(fā)器有限而乘積項豐富的結(jié)構(gòu)。

　?、贑PLD的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了它的時序延遲是均勻的和可預(yù)測的,而FPGA的分段式布線結(jié)構(gòu)決定了其延遲的不可預(yù)測性。

　　③在編程上FPGA比CPLD具有更大的靈活性。CPLD通過修改具有固定內(nèi)連電路的邏輯功能來編程,FPGA主要通過改變內(nèi)部連線的布線來編程;FPGA可在邏輯門下編程,而CPLD是在邏輯塊下編程。

　　④FPGA的集成度比CPLD高,具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實現(xiàn)。

　　⑤CPLD比FPGA使用起來更方便。CPLD的編程采用E2PROM或FASTFLASH技術(shù),無需外部存儲器芯片,使用簡單。而FPGA的編程信息需存放在外部存儲器上,使用方法復(fù)雜。

　?、轈PLD的速度比FPGA快,并且具有較大的時間可預(yù)測性。這是由于FPGA是門級編程,并且CLB之間采用分布式互聯(lián),而CPLD是邏輯塊級編程,并且其邏輯塊之間的互聯(lián)是集總式的。

　?、咴诰幊谭绞缴?CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存儲器編程,編程次數(shù)可達(dá)1萬次,優(yōu)點是系統(tǒng)斷電時編程信息也不丟失。CPLD又可分為在編程器上編程和在系統(tǒng)編程兩類。FPGA大部分是基于SRAM編程,編程信息在系統(tǒng)斷電時丟失,每次上電時,需從器件外部將編程數(shù)據(jù)重新寫入SRAM中。其優(yōu)點是可以編程任意次,可在工作中快速編程,從而實現(xiàn)板級和系統(tǒng)級的動態(tài)配置。

　?、郈PLD保密性好,FPGA保密性差。

　?、嵋话闱闆r下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明顯。