CPLD初學(xué)者入門知識(shí)

CPLD按英語(yǔ)說(shuō)是復(fù)雜可編程邏輯器件，對(duì)于一個(gè)硬件工程師來(lái)說(shuō)，能應(yīng)用cpld技術(shù)是一個(gè)十分強(qiáng)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(jì)的問(wèn)題，能大幅度改變?cè)O(shè)計(jì)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(gè)芯片實(shí)現(xiàn)。它還有一個(gè)十分優(yōu)秀的優(yōu)點(diǎn)，在硬件原理設(shè)計(jì)和布線的時(shí)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(hào)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(lái)布線優(yōu)化的好處。本文就cpld初學(xué)者面對(duì)的問(wèn)題做一個(gè)簡(jiǎn)單描述。希望對(duì)有志于學(xué)習(xí)cpld的硬件工程師有所啟發(fā)。

1：首先進(jìn)行的準(zhǔn)備是有針對(duì)性的學(xué)習(xí)cpld物理構(gòu)造和資源

先不要著急去買開(kāi)發(fā)板，不要著急寫邏輯。了解硬件本身更加重要。Cpld是一個(gè)很大的范疇，初學(xué)者會(huì)淹沒(méi)在眾多廠家、眾多資料的海洋中。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，筆者建議大家有所針對(duì)的進(jìn)行知識(shí)獲取，推薦大家以altera的max ii系列cpld為突破口，首當(dāng)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?yàn)樗鼈兌际谴笸‘惖?。之所以選擇emp240是因?yàn)樗鼞?yīng)用已經(jīng)很廣泛，市場(chǎng)上容易買到，而且價(jià)格便宜，批量買只有8元/片左右。

Emp240顧名思義具有240個(gè)宏單元。簡(jiǎn)單理解就是有240個(gè)觸發(fā)器，或者理解成240個(gè)bit的存儲(chǔ)單元。這樣都好理解，以后對(duì)工程應(yīng)用就容易估算容量了。對(duì)于工程來(lái)說(shuō)，一般這么做，首先依據(jù)需求設(shè)計(jì)引腳的數(shù)量，然后再在開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行邏輯編寫、軟仿真，這樣，在硬件完全沒(méi)有開(kāi)始之前，就能把邏輯部分全部設(shè)計(jì)完，只差物理驗(yàn)證一步了。仿真分2布，寫邏輯時(shí)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(qiáng)大，但對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，最好先不要介入這個(gè)領(lǐng)域。先把cpld用上是最主要的。

好了，這樣就把目標(biāo)縮小到一個(gè)點(diǎn)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(shí)間用在3個(gè)點(diǎn)上：1、240的構(gòu)造和資源，2、quartus軟件使用，3、verilog hdl語(yǔ)言學(xué)習(xí)。

設(shè)計(jì)中，如果你的邏輯需要100個(gè)單元，編譯后會(huì)發(fā)現(xiàn)用掉120個(gè)單元，這是cpld內(nèi)部布線需要。作為實(shí)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(gè)單元，這時(shí)就不要用240了，應(yīng)該使用570，因?yàn)?40的富余量不夠。

一個(gè)小技巧，針對(duì)EPM240和570來(lái)說(shuō)，常用的封裝是T100的，就是TQFP100，這2個(gè)芯片的封裝是向下兼容的，因此，設(shè)計(jì)時(shí)，即便決定使用240，也要按570去畫(huà)板子。焊接是兼容的，同時(shí)萬(wàn)一240不夠了，可以改焊570。

2：向應(yīng)用cpld走近一步，用開(kāi)發(fā)板練習(xí)

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

開(kāi)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(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，cpld技術(shù)是一個(gè)很大的領(lǐng)域，切記不要急于求成，上來(lái)就弄個(gè)fpga去加載視頻編解碼算法，那會(huì)十分困難。建議先從最簡(jiǎn)單的開(kāi)始，用240替代設(shè)計(jì)中使用的一些74芯片、完成部分軟件功能等，熟能生巧。這個(gè)技術(shù)絕不是短時(shí)間就能達(dá)到多高水平的，必須有積累過(guò)程。一開(kāi)始就啃難度高的，會(huì)對(duì)信心造成打擊，長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有進(jìn)展，是讓一個(gè)硬件工程師最為抓狂的事。

對(duì)于前期學(xué)習(xí)準(zhǔn)備比較充足的工程師來(lái)說(shuō)，完全可以不買開(kāi)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(méi)有接錯(cuò)，由于引腳分布是可編程的，pcb板導(dǎo)致不能用的可能性就大大降低了，鼓勵(lì)直接自己畫(huà)pcb去應(yīng)用。這樣掌握得更快。

3：cpld與cpu的接口

這個(gè)問(wèn)題十分重要，因?yàn)閏pld大部分扮演的是cpu的擴(kuò)展，替cpu完成外部引腳資源擴(kuò)展、輸入輸出時(shí)序管理、部分軟件功能實(shí)現(xiàn)。很少有讓一個(gè)cpld單獨(dú)工作的。

Cpld與cpu的接口就十分突出，對(duì)于要學(xué)cpld的工程師來(lái)說(shuō)，用的cpu可能僅限于51單片機(jī)或者arm7系單片機(jī)。這種接口算是比較簡(jiǎn)單了，還是應(yīng)該循序漸進(jìn)，從簡(jiǎn)單的入手，比如用單片機(jī)3個(gè)io去cpld，由cpld完成74hc138功能，這就是一個(gè)簡(jiǎn)單接口。再進(jìn)一步，用cpu的p0口和一個(gè)io腳接到cpld，用cpld完成373、244、273等功能，這就進(jìn)了一步，有時(shí)序的概念了。最后，用cpu的數(shù)據(jù)口、晶振、wr、rd、ale等信號(hào)接入cpld，把cpld做成幾個(gè)字節(jié)的ram，讀寫實(shí)驗(yàn)。這一關(guān)過(guò)去之后，cpld與單片機(jī)的接口就再無(wú)秘密可言了。

與51單片機(jī)的接口注意必須深刻理解cpu的工作時(shí)序，地址與數(shù)據(jù)口如何復(fù)用，ale信號(hào)如何鎖存地址等。與arm7的接口相對(duì)簡(jiǎn)單，因arm7比較靈活，對(duì)外部接口的管理功能強(qiáng)。

初學(xué)者使用cpld的時(shí)候，建議在所有io腳的連線中都串聯(lián)一個(gè)51歐電阻，這樣會(huì)方便測(cè)量，更重要的是能保護(hù)cpld的io口，更深入的說(shuō)，能改善高速信號(hào)的振鈴、信號(hào)反射，提高信號(hào)完整性。

4：cpld與fpga的簡(jiǎn)單介紹

Cpld比較簡(jiǎn)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(yán)格地說(shuō)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(duì)商用和工業(yè)用，其產(chǎn)品性價(jià)比稍好，市場(chǎng)應(yīng)用最為廣泛。Xilinx初期定位在宇航級(jí)產(chǎn)品，因此，它的芯片具有更好的性能。后來(lái)xilinx也面對(duì)商業(yè)用戶了，因此形成了與altera分庭鼎立的情況，兩個(gè)這么大的廠家，芯片的系列十分類似。建議初學(xué)者使用altera的。當(dāng)然，使用xilinx也無(wú)所謂。

Altera的開(kāi)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(wèn)題，姑且使用。Xilinx的開(kāi)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(gè)功能更加強(qiáng)大、更加獨(dú)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(dǎo)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(shí)序同步發(fā)生，用于初期測(cè)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(gè)后仿真，一般情況下就等同于在實(shí)際板子上跑的結(jié)果。如果在pcb上跑出現(xiàn)問(wèn)題，則此問(wèn)題就比較難解決。

軟件分兩種規(guī)范，一個(gè)是verilog hdl，一個(gè)叫vhdl。前者基本就是c語(yǔ)言的底子，因此對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，很容易上手，所以用verilog的人非常多。Vhdl則更加嚴(yán)謹(jǐn)，其語(yǔ)言規(guī)范需要一段時(shí)間熟悉。如果要長(zhǎng)期以hdl語(yǔ)言為伍，則推薦學(xué)習(xí)vhdl，它的結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)謹(jǐn)，能避免比較復(fù)雜的問(wèn)題的發(fā)生。聽(tīng)一個(gè)在華為的硬件工程師說(shuō)，華為要求必須熟練一個(gè)語(yǔ)言的同時(shí)要能看懂另一個(gè)語(yǔ)言。