我们再来以cyclone系列为例看看FPGA的内部结构:
FPGA内部主要就是由LAB单元,连线和IO单元组成。一个LAB单元又包含若干个LE模块。LE模块是Cyclone FPGA的基本逻辑单元,下图是LE模块的具体结构:
初看上去好像比较复杂,其实最主要的部分就是LUT查找表模块,以及后面的D触发器。其他都是一些清零进位旁路等等控制信号逻辑。也就是说查找表是FPGA最根本的逻辑单元。Cyclone FPGA使用的是4输入LUT查找表。我们设计的逻辑电路最终都是通过EDA工具把所有可能的结果计算出来然后储存在查找表里面。每次根据输入信号查找对应的结果,然后输出就可以了。也就是说FPGA的工作更像是一个RAM,根据不同的输入信号(地址)输出相应的数据。
通过上面的结构图比较我们就可以清楚的看出来CPLD是由实实在在的组合电路组成的,而FPGA说到底就是一个巨大的查找表!也正是这个根本的差异造成了CPLD和FPGA各方面的不同。除了Altera以外,主要的CPLD和FPGA生产厂商还有Xilinx,Actel,Lattice以及Atmel等。各家公司的产品各有特点,在架构上会略有区别,但基本原理都是相同的。下面我们整理一下CPLD和FPGA的主要区别:
1) CPLD的逻辑阵列更适合可重复编程的EEPROM或Flash技术来实现。而FPGA显然是利用SRAM技术更合适。
2) 由于是EEPROM或者Flash工艺决定了CPLD是有一定的擦写次数限制的。而FPGA在实际使用中几乎可以说是无配置次数限制。
3) CPLD由于采用的是EEPROM或者Flash工艺所以配置掉电后不丢失,也就不需要外挂配置芯片。而FPGA采用的是SRAM工艺,配置在掉电后就没有了,因此需要一个外部配置芯片。
4) CPLD的安全性更高。由于配置芯片的存在,FPGA的保密性就会比CPLD略差。逻辑数据有可能被读取。(当然FPGA芯片会有一定的加密措施)
5) CPLD由于不需要上电重新配置,所以上电后可以马上工作。而FPGA上电后需要配置时间,逻辑量的大小配置方式的区别也会影响配置时间的长短。
6) 由于CPLD的连续式布线结构,决定了它的时序延时是均匀和固定的。而FPGA采用的分段式布线结构造成了延时不固定。
7) 由于工艺难度的差异,CPLD一般集成度较低,大多为几千门或几万门的芯片规模,做到几十万门已经很困难。而FPGA基于SRAM工艺,集成度更高,可以轻松做到几十万门甚至几百万门的芯片规模,最新的FPGA产品已经接近千万门的规模。
8) 同样由于结构的差异,CPLD更适合完成的是复杂的组合逻辑,如编、译码的工作。而FPGA更适合做复杂的时序逻辑。换句话说就是FPGA更适合触发器丰富的逻辑结构,CPLD适合于触发器有限但是乘积项丰富的逻辑结构。
9) 也是由于工艺的原因,一般CPLD会比FPGA的功耗高。