CPLD和FPGA兩者的區別

CPLD和FPGA都是我們經常會用到的器件。有的說有配置芯片的是FPGA，沒有的是CPLD;有的說邏輯資源多的是FPGA，少的是CPLD;有的直接就不做區分，把他們都叫做FPGA。那么兩者到底有什么區別呢？下面我們就以Altera公司的CPLD和FPGA為例來說說兩者的區別。

首先我們看一下CPLD的芯片結構，搞清楚CPLD是由哪幾部分組成的。下圖是MAX系列CPLD的芯片結構圖：

從圖中可以清楚的看出來CPLD主要由三部分組成：Macro cell（宏單元），PIA（可編程連線），和IO Control Block（IO控制塊）。每個宏單元都與GCLK（全局時鐘）OE（輸出使能）GCLR（清零）等控制信號直接相連，并且延時相同。各宏單元之間也由固定長度的金屬線互連，這樣保證邏輯電路的延時固定。其中宏單元模塊是CPLD的邏輯功能實現單元，是器件的基本單元，我們設計的邏輯電路就是由宏單元具體實現的。下面我們再來看看宏單元的具體結構：

一個宏單元主要包括了LAB Local Array（邏輯陣列），Product-Term Select Matrix（乘積項選擇矩陣）和一個可編程D觸發器組成。其中邏輯陣列的每一個交叉點都可以通過編程實現導通從而實現與邏輯，乘積項選擇矩陣可實現或邏輯。這兩部分協同工作，就可以實現一個完整的組合邏輯。輸出可以選擇通過D觸發器，也可以對觸發器進行旁路。通過這個結構可以發現，CPLD非常適合實現組合邏輯，再配合后面的觸發器也能夠實現一定的時序邏輯。

我們再來以cyclone系列為例看看FPGA的內部結構：

FPGA內部主要就是由LAB單元，連線和IO單元組成。一個LAB單元又包含若干個LE模塊。LE模塊是CycloneFPGA的基本邏輯單元，下圖是LE模塊的具體結構：

初看上去好像比較復雜，其實最主要的部分就是LUT查找表模塊，以及后面的D觸發器。其他都是一些清零進位旁路等等控制信號邏輯。也就是說查找表是FPGA最根本的邏輯單元。Cyclone FPGA使用的是4輸入LUT查找表。我們設計的邏輯電路最終都是通過EDA工具把所有可能的結果計算出來然后儲存在查找表里面。每次根據輸入信號查找對應的結果，然后輸出就可以了。也就是說FPGA的工作更像是一個RAM，根據不同的輸入信號（地址）輸出相應的數據。

通過上面的結構圖比較我們就可以清楚的看出來CPLD是由實實在在的組合電路組成的，而FPGA說到底就是一個巨大的查找表！也正是這個根本的差異造成了CPLD和FPGA各方面的不同。除了Altera以外，主要的CPLD和FPGA生產廠商還有Xilinx，Actel，Lattice以及Atmel等。各家公司的產品各有特點，在架構上會略有區別，但基本原理都是相同的。下面我們整理一下CPLD和FPGA的主要區別：

1） CPLD的邏輯陣列更適合可重復編程的EEPROM或Flash技術來實現。而FPGA顯然是利用SRAM技術更合適。

2） 由于是EEPROM或者Flash工藝決定了CPLD是有一定的擦寫次數限制的。而FPGA在實際使用中幾乎可以說是無配置次數限制。

3） CPLD由于采用的是EEPROM或者Flash工藝所以配置掉電后不丟失，也就不需要外掛配置芯片。而FPGA采用的是SRAM工藝，配置在掉電后就沒有了，因此需要一個外部配置芯片。

4） CPLD的安全性更高。由于配置芯片的存在，FPGA的保密性就會比CPLD略差。邏輯數據有可能被讀取。（當然FPGA芯片會有一定的加密措施）

5） CPLD由于不需要上電重新配置，所以上電后可以馬上工作。而FPGA上電后需要配置時間，邏輯量的大小配置方式的區別也會影響配置時間的長短。

6） 由于CPLD的連續式布線結構，決定了它的時序延時是均勻和固定的。而FPGA采用的分段式布線結構造成了延時不固定。

7） 由于工藝難度的差異，CPLD一般集成度較低，大多為幾千門或幾萬門的芯片規模，做到幾十萬門已經很困難。而FPGA基于SRAM工藝，集成度更高，可以輕松做到幾十萬門甚至幾百萬門的芯片規模，最新的FPGA產品已經接近千萬門的規模。

8） 同樣由于結構的差異，CPLD更適合完成的是復雜的組合邏輯，如編、譯碼的工作。而FPGA更適合做復雜的時序邏輯。換句話說就是FPGA更適合觸發器豐富的邏輯結構，CPLD適合于觸發器有限但是乘積項豐富的邏輯結構。

9） 也是由于工藝的原因，一般CPLD會比FPGA的功耗高。

當然以上只是CPLD和FPGA通常意義上的區別，技術是在不斷發展中的，這些差異也不能一概而論。隨著技術的發展，CPLD和FPGA也在不斷的更新當中。

Altera在Stratix III 系列FPGA以后的產品中調整了LE的結構，如下圖：

從原來的一個4輸入查找表加D觸發器變成了兩個6輸入查找表加兩個D觸發器。再進一步細化查找表的結構圖如下：

一個6輸入查找表又可以細分為一個4輸入查找表和兩個3輸入查找表。無論結構怎么變，只是出于對資源優化利用考慮的改變，基本的LUT查找表方式沒有變。但是新出的MAX II系列和MAX V 系列CPLD則從根本上模糊了CPLD和FPGA的區別。通過閱讀芯片手冊我們可以發現，兩個系列的CPLD雖然名字沒有變，但是架構已經完全是與FPGA相同的系統架構了，最小單元也變成了LUT查找表，宏單元已經消失不見了。也許和CPLD還能搭上關系的就是兩個系列把配置電路集成到了芯片當中，在實際使用中和原有的CPLD保持了相同的使用習慣?？梢哉f兩個系列的產品已經是披著CPLD外衣的FPGA了。

從技術的延續性上來看，可編程器件技術大致經歷了PROM-PLA-PAL-GAL-EPLD-CPLD和FPGA的發展過程，CPLD和FPGA是兩個不同的發展分支。生產廠商似乎在模糊CPLD和FPGA之間的區別。也許以后只剩下名字的區別，兩者會統一成一類器件，或者又會出現更新的技術作為替代。無論技術如何演進，作為工程師而言，我們要做的就是去把握每種器件的原理，優缺點和適用場景，然后在實際的項目中正確選擇，靈活使用。

1、是否需要同時學習FPGA和CPLD？

很多同學有疑問，是否需要同時學習FPGA和CPLD，阿東在此表示，完全沒有必要，以為FPGA和CPLD的設計語言都是Verilog，至于CPLD和FPGA內部結構不一樣，在編碼階段完全看不出來，軟件會根據CPLD還是FPGA自動生成編程文件，所以學習的話建議值學習FPGA即可，FPGA學會了，基本就會用CPLD了。

2、現在的電路設計規模越來越大，動不動都是上萬個或者幾十萬個甚至上百萬個寄存器規模，這種規模下，CPLD根本不會考慮的，CPLD資源太少。