PLD/FPGA新手入門

PLD是可編程邏輯器件（Programable Logic Device）的簡稱，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programable Gate Array)的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實(shí)現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時(shí)可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或PLD/FPGA。

PLD是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)，它的影響絲毫不亞于70年代單片機(jī)的發(fā)明和使用。

PLD能做什么呢？可以毫不夸張的講，PLD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PLD來實(shí)現(xiàn)。PLD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(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 PLD的這些優(yōu)點(diǎn)使得PLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時(shí)也大大推動(dòng)了EDA軟件和硬件描述語言（HDL)的進(jìn)步。

如何使用PLD呢？其實(shí)PLD的使用很簡單，學(xué)習(xí)PLD比學(xué)習(xí)單片機(jī)要簡單的多，有數(shù)字電路基礎(chǔ)，會(huì)使用計(jì)算機(jī)，就可以進(jìn)行PLD的開發(fā)。不熟悉PLD的朋友，可以先看一看可編程邏輯器件的發(fā)展歷程。

開發(fā)PLD需要了解兩個(gè)部分：1.PLD開發(fā)軟件 2.PLD本身



1.PLD開發(fā)軟件

由于PLD軟件已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)完善，用戶甚至可以不用詳細(xì)了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以用自己熟悉的方法：如原理圖輸入或HDL語言來完成相當(dāng)優(yōu)秀的PLD設(shè)計(jì)。所以對(duì)初學(xué)者，首先應(yīng)了解PLD開發(fā)軟件和開發(fā)流程。了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將有助于提高我們設(shè)計(jì)的效率和可靠性。

如何獲得PLD開發(fā)軟件軟件呢? 許多PLD公司都提供免費(fèi)試用版或演示版(當(dāng)然商業(yè)版大都是收費(fèi)的），例如：可以免費(fèi)從www.altera.com 上下載Altera公司的 QuartusII （web版），或向其代理商索取這套軟件。Xilinx 公司也提供免費(fèi)軟件：ISE WebPack,這套可以從xilinx網(wǎng)站下載。Lattice 提供isplever Base版下載，Actel等公司也都有類似的免費(fèi)軟件提供。以上免費(fèi)軟件都需要在網(wǎng)上注冊申請License文件，如果您對(duì)License的安裝還有不清楚，請仔細(xì)閱讀相關(guān)網(wǎng)頁上的說明，也可以下載這篇文檔：EDA軟件的license管理與安裝。 通常這些免費(fèi)軟件已經(jīng)能夠滿足一般設(shè)計(jì)的需要，當(dāng)然，要想軟件功能更強(qiáng)大一些，只能購買商業(yè)版軟件。

如果您打算使用VHDL或Verilog HDL硬件描述語言來開發(fā)PLD/FPGA,通常還需要使用一些專業(yè)的HDL開發(fā)軟件,這是因?yàn)镕PGA廠商提供的軟件的HDL綜合能力一般都不是很強(qiáng),需要其他軟件來配合使用,詳細(xì)情況可以通過瀏覽:開發(fā)軟件欄目獲得等多信息.

對(duì)于PLD產(chǎn)品，一般分為：基于乘積項(xiàng)（Product-Term）技術(shù)，EEPROM（或Flash）工藝的中小規(guī)模PLD，以及基于查找表（Look-Up table）技術(shù)，SRAM工藝的大規(guī)模PLD/FPGA。EEPROM工藝的PLD密度小，多用于5,000門以下的小規(guī)模設(shè)計(jì)，適合做復(fù)雜的組合邏輯，如譯碼。SRAM工藝的PLD(FPGA)，密度高，觸發(fā)器多，多用于10,000門以上的大規(guī)模設(shè)計(jì)，適合做復(fù)雜的時(shí)序邏輯，如數(shù)字信號(hào)處理和各種算法。如希望進(jìn)一步了解PLD/FPGA結(jié)構(gòu)與原理，請點(diǎn)擊此處。

目前有多家公司生產(chǎn)CPLD/FPGA，最大的三家是：ALTERA，XILINX，Lattice, 您可以參閱PLD廠商欄目獲得更多信息



2.PLD/FPGA的分類和使用

在PLD/FPGA開發(fā)軟件中完成設(shè)計(jì)以后，軟件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)最終的編程文件（如 .pof ）。如何將編程文件燒到PLD芯片中去呢？

1.對(duì)于基于乘積項(xiàng)（Product-Term）技術(shù)，EEPROM(或Flash)工藝的PLD（如Altera的MAX系列，Lattice的大部分產(chǎn)品，Xilinx的XC9500，Coolrunner系列)， 廠家提供編程電纜，電纜一端裝在計(jì)算機(jī)的并行打印口上，另一端接在PCB板上的一個(gè)十芯插頭，PLD芯片有四個(gè)管腳（編程腳）與插頭相連。（如圖）

下載 ALTERA 編程電纜（Byteblaster MV）的數(shù)據(jù)手冊

下載 Xilinx編程電纜的電路原理圖

下載 Lattice的電纜資料


它向系統(tǒng)板上的器件提供配置或編程數(shù)據(jù)，這就是所謂的在線可編程（ISP，如下圖）。Byteblaster使用戶能夠獨(dú)立地配置PLD器件，而不需要編程器或任何其它編程硬件。編程電纜可以向代理商購買，也可以根據(jù)廠家提供的編程電纜的原理圖自己制作，成本僅需一，二十元。 早期的PLD是不支持ISP的，它們需要用編程器燒寫。目前的PLD都可以用ISP在線編程，也可用編程器編程。這種PLD可以加密，并且很難解密，所以常常用于單板加密。




1.將PLD焊在PCB板上 2.接好編程電纜 3.現(xiàn)場燒寫PLD芯片

2.對(duì)于基于查找表（LUT，Look-Up table）技術(shù)，SRAM工藝的FPGA（如Altera的所有FPGA，如ACEX，Cyclone,Stratix系列，Xilinx的所有FPGA，如Spartan,Virtex系列，Lattice的EC/ECP系列等），由于SRAM工藝的特點(diǎn)，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)消失，因此調(diào)試期間可以用下載電纜配置PLD器件，調(diào)試完成后，需要將數(shù)據(jù)固化在一個(gè)專用的EEPROM中（用通用編程器燒寫，也有一些可以用電纜直接改寫），上電時(shí)，由這片配置EEPROM先對(duì)FPGA加載數(shù)據(jù)，十幾個(gè)毫秒到幾百個(gè)毫秒后，F(xiàn)PGA即可正常工作。(亦可由CPU配置FPGA)。但SRAM工藝的PLD一般不可以直接加密。

3.還有一種反熔絲（Anti-fuse）技術(shù)的FPGA，如Actel，Quicklogic的部分產(chǎn)品就采用這種工藝。但這種的PLD是不能重復(fù)擦寫，需要使用專用編程器，所以開發(fā)過程比較麻煩，費(fèi)用也比較昂高。但反熔絲技術(shù)也有許多優(yōu)點(diǎn)：布線能力更強(qiáng)，系統(tǒng)速度更快，功耗更低，同時(shí)抗輻射能力強(qiáng)，耐高低溫，可以加密，所以在一些有特殊要求的領(lǐng)域中運(yùn)用較多，如軍事及航空航天。 為了解決反熔絲FPGA不可重復(fù)擦寫的問題，Actel等公司在90年代中后期開發(fā)了基于Flash技術(shù)的FPGA，如ProASIC系列，這種FPGA不需要配置，數(shù)據(jù)直接保存在FPGA芯片中，用戶可以改寫（但需要10幾伏的高電壓）。

隨著技術(shù)的發(fā)展，在2004年以后，一些廠家推出了一些新的PLD和FPGA，這些產(chǎn)品模糊了PLD和FPGA的區(qū)別。例如Altera最新的MAXII系列PLD，這是一種基于FPGA（LUT）結(jié)構(gòu)，集成配置芯片的PLD，在本質(zhì)上它就是一種在內(nèi)部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置時(shí)間極短，上電就可以工作，所以對(duì)用戶來說，感覺不到配置過程，可以傳統(tǒng)的PLD一樣使用，加上容量和傳統(tǒng)PLD類似，所以altera把它歸作PLD。 還有像Lattice的XP系列FPGA，也是使用了同樣的原理，將外部配置芯片集成到內(nèi)部,在使用方法上和PLD類似，但是因?yàn)槿萘看?，性能和傳統(tǒng)FPGA相同，也是LUT架構(gòu)，所以Lattice仍把它歸為FPGA。