CPLD初學者入門知識

CPLD按英語說是復(fù)雜可編程邏輯器件，對于一個硬件工程師來說，能應(yīng)用cpld技術(shù)是一個十分強大的能力。它的應(yīng)用可在根本上解決許多數(shù)字電路設(shè)計的問題，能大幅度改變設(shè)計思想，大幅度提高工作效率，甚至可以把以前的數(shù)十顆普通分立芯片的功能用一個芯片實現(xiàn)。它還有一個十分優(yōu)秀的優(yōu)點，在硬件原理設(shè)計和布線的時候，不用考慮引腳的順序，可從布線方便的角度安排需要的信號位置，使得布線難度大幅度降低。由于布線難度下降，直接帶來布線優(yōu)化的好處。本文就cpld初學者面對的問題做一個簡單描述。希望對有志于學習cpld的硬件工程師有所啟發(fā)。

1：首先進行的準備是有針對性的學習cpld物理構(gòu)造和資源

先不要著急去買開發(fā)板，不要著急寫邏輯。了解硬件本身更加重要。Cpld是一個很大的范疇，初學者會淹沒在眾多廠家、眾多資料的海洋中。針對這個問題，筆者建議大家有所針對的進行知識獲取，推薦大家以altera的max ii系列cpld為突破口，首當其沖的就是emp240這顆芯片。把它吃透，則max ii系列的其它都很好理解了，構(gòu)造都一樣，只是資源增加而已。其它廠家的也好用了，因為它們都是大同小異的。之所以選擇emp240是因為它應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，市場上容易買到，而且價格便宜，批量買只有8元/片左右。

Emp240顧名思義具有240個宏單元。簡單理解就是有240個觸發(fā)器，或者理解成240個bit的存儲單元。這樣都好理解，以后對工程應(yīng)用就容易估算容量了。對于工程來說，一般這么做，首先依據(jù)需求設(shè)計引腳的數(shù)量，然后再在開發(fā)環(huán)境中進行邏輯編寫、軟仿真，這樣，在硬件完全沒有開始之前，就能把邏輯部分全部設(shè)計完，只差物理驗證一步了。仿真分2布，寫邏輯時用quartus自帶的仿真即可。邏輯寫完之后，最好用model sim。Model sim是專門的仿真軟件，功能十分強大，但對初學者來說，最好先不要介入這個領(lǐng)域。先把cpld用上是最主要的。

好了，這樣就把目標縮小到一個點上了。需要花功夫把240的相關(guān)資料吃透，把quartus用熟。到這里，一分錢都不用花。時間用在3個點上：1、240的構(gòu)造和資源，2、quartus軟件使用，3、verilog hdl語言學習。

設(shè)計中，如果你的邏輯需要100個單元，編譯后會發(fā)現(xiàn)用掉120個單元，這是cpld內(nèi)部布線需要。作為實際應(yīng)用，必須要留20%以上的富余量，比如編譯結(jié)果指示用220個單元，這時就不要用240了，應(yīng)該使用570，因為240的富余量不夠。

一個小技巧，針對EPM240和570來說，常用的封裝是T100的，就是TQFP100，這2個芯片的封裝是向下兼容的，因此，設(shè)計時，即便決定使用240，也要按570去畫板子。焊接是兼容的，同時萬一240不夠了，可以改焊570。

2：向應(yīng)用cpld走近一步，用開發(fā)板練習

有了上面的基礎(chǔ)，可以投資買開發(fā)板了，一般賣板子的都配套好軟件和編程器了。針對240的開發(fā)板可能很少，可能570的好買。注意買cpld的開發(fā)板，不要急于用fpga的，學會cpld之后，再用fpga就容易多了。要一步一步來。570的開發(fā)板，帶仿真器，帶軟件，帶練習光盤，一整套下來估計200-300元人民幣。這個資金對你要學會的技術(shù)來說，微不足道。

開發(fā)板光盤有許多例子程序，可以先跑跑看，很容易就上手了。對于初學者來說，cpld技術(shù)是一個很大的領(lǐng)域，切記不要急于求成，上來就弄個fpga去加載視頻編解碼算法，那會十分困難。建議先從最簡單的開始，用240替代設(shè)計中使用的一些74芯片、完成部分軟件功能等，熟能生巧。這個技術(shù)絕不是短時間就能達到多高水平的，必須有積累過程。一開始就啃難度高的，會對信心造成打擊，長時間沒有進展，是讓一個硬件工程師最為抓狂的事。

對于前期學習準備比較充足的工程師來說，完全可以不買開發(fā)板，直接在工程中應(yīng)用?，F(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)太方便了，只要你的cpld外圍沒有接錯，由于引腳分布是可編程的，pcb板導致不能用的可能性就大大降低了，鼓勵直接自己畫pcb去應(yīng)用。這樣掌握得更快。

3：cpld與cpu的接口

這個問題十分重要，因為cpld大部分扮演的是cpu的擴展，替cpu完成外部引腳資源擴展、輸入輸出時序管理、部分軟件功能實現(xiàn)。很少有讓一個cpld單獨工作的。

Cpld與cpu的接口就十分突出，對于要學cpld的工程師來說，用的cpu可能僅限于51單片機或者arm7系單片機。這種接口算是比較簡單了，還是應(yīng)該循序漸進，從簡單的入手，比如用單片機3個io去cpld，由cpld完成74hc138功能，這就是一個簡單接口。再進一步，用cpu的p0口和一個io腳接到cpld，用cpld完成373、244、273等功能，這就進了一步，有時序的概念了。最后，用cpu的數(shù)據(jù)口、晶振、wr、rd、ale等信號接入cpld，把cpld做成幾個字節(jié)的ram，讀寫實驗。這一關(guān)過去之后，cpld與單片機的接口就再無秘密可言了。

與51單片機的接口注意必須深刻理解cpu的工作時序，地址與數(shù)據(jù)口如何復(fù)用，ale信號如何鎖存地址等。與arm7的接口相對簡單，因arm7比較靈活，對外部接口的管理功能強。

初學者使用cpld的時候，建議在所有io腳的連線中都串聯(lián)一個51歐電阻，這樣會方便測量，更重要的是能保護cpld的io口，更深入的說，能改善高速信號的振鈴、信號反射，提高信號完整性。

4：cpld與fpga的簡單介紹

Cpld比較簡單，fpga更加復(fù)雜，在cpld基礎(chǔ)上，增加了PLL、硬件乘法器、ram塊等硬件資源。更有的fpga直接集成了dsp的硬核。Altera的max ii系列cpld，其內(nèi)部應(yīng)用了走線池，因此嚴格地說它已經(jīng)屬于fpga了。

目前主要的cpld和fpga廠家是altera和xilinx，還有actel等規(guī)模稍小。Altera主要面對商用和工業(yè)用，其產(chǎn)品性價比稍好，市場應(yīng)用最為廣泛。Xilinx初期定位在宇航級產(chǎn)品，因此，它的芯片具有更好的性能。后來xilinx也面對商業(yè)用戶了，因此形成了與altera分庭鼎立的情況，兩個這么大的廠家，芯片的系列十分類似。建議初學者使用altera的。當然，使用xilinx也無所謂。

Altera的開發(fā)環(huán)境是quartus，筆者使用的是8.1版，已經(jīng)老了，但是夠用，且不出問題，姑且使用。Xilinx的開發(fā)環(huán)境是ISE。這些環(huán)境本身已經(jīng)提供了比較完整的仿真功能。但有一個功能更加強大、更加獨立的仿真環(huán)境是model sim，它分前仿真和后仿真，由于altera和xilinx的主導作用，因此model sim提供了這兩家的芯片的完整支持。‘前仿真’屬于邏輯仿真，所有瞬態(tài)時序同步發(fā)生，用于初期測試邏輯功能是否正確。‘后仿真’則帶有延遲特性，這與芯片內(nèi)部構(gòu)造和編譯后的內(nèi)部走線密切相關(guān)。這個后仿真，一般情況下就等同于在實際板子上跑的結(jié)果。如果在pcb上跑出現(xiàn)問題，則此問題就比較難解決。

軟件分兩種規(guī)范，一個是verilog hdl，一個叫vhdl。前者基本就是c語言的底子，因此對于工程師來說，很容易上手，所以用verilog的人非常多。Vhdl則更加嚴謹，其語言規(guī)范需要一段時間熟悉。如果要長期以hdl語言為伍，則推薦學習vhdl，它的結(jié)構(gòu)更加嚴謹，能避免比較復(fù)雜的問題的發(fā)生。聽一個在華為的硬件工程師說，華為要求必須熟練一個語言的同時要能看懂另一個語言。