單片機(jī)和PLD有何聯(lián)系與區(qū)別,盤點(diǎn)PLD入門知識(shí)點(diǎn)
發(fā)布時(shí)間:2017-06-27 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】當(dāng)今,數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力便是單片機(jī),DSP ,PLD/ EDA ,以其各自的特點(diǎn)滿足了各種需要,推動(dòng)著信息技術(shù)的快速發(fā)展。這里將對(duì)這三類電子產(chǎn)品分別加以介紹,并作比較和分析。
引言
信息技術(shù)正在快速發(fā)展,其應(yīng)用已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)方面。如今越來(lái)越多的電子產(chǎn)品向著智能化、微型化、低功耗方向發(fā)展,其中有的產(chǎn)品還需要實(shí)時(shí)控制和信號(hào)處理。電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加,它迫切要求電子設(shè)計(jì)技術(shù)也有相應(yīng)的變革和飛躍。使用純SSI 數(shù)字電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作量大, 靈活性低, 而且系統(tǒng)可靠性差。廣泛使用單片機(jī)(MCU) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)克服了純SSI 數(shù)字電路系統(tǒng)許多不可逾越的困難,是一個(gè)具有里程碑意義的飛躍。而DSP以其極強(qiáng)的信號(hào)處理功能贏得了廣闊的市場(chǎng),得到了廣泛地應(yīng)用。近年來(lái),PLD 器件迅速發(fā)展,尤其是CPLD/ FPGA 向深亞微米領(lǐng)域進(jìn)軍,PLD 器件得到了廣泛應(yīng)用,以CPLD/ FPGA 為物質(zhì)基礎(chǔ)的EDA 技術(shù)誕生了。它具有電子技術(shù)高度智能化、自動(dòng)化的特點(diǎn),打破了軟硬件最后的屏障,使得硬件設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)一樣簡(jiǎn)單。它作為一種創(chuàng)新技術(shù)正在改變著數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)觀念。單片機(jī),DSP ,PLD/ EDA 以其各自的特點(diǎn)滿足了各種需要,正從各個(gè)領(lǐng)域各個(gè)層面改變著世界,它們已經(jīng)成為數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力,推動(dòng)著信息技術(shù)的快速發(fā)展。
以下,我們將對(duì)單片機(jī),DSP,PLD/ EDA 分別加以介紹,并作比較和分析。
單片機(jī)
單片機(jī)是集成了CPU ,ROM ,RAM 和I/ O 口的微型計(jì)算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能,非常適合于工業(yè)控制,因此又叫微控制器(MCU) 。它與通用處理器不同,它是以工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口等特點(diǎn)出發(fā),向著增強(qiáng)控制功能,提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便地構(gòu)成應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。所以,單片機(jī)有著自己的特點(diǎn)。
品種齊全,型號(hào)多樣
自從INTEL 推出51 系列單片機(jī),許多公司對(duì)它做出改進(jìn),發(fā)展成為增強(qiáng)型51 系列,而且新的單片機(jī)類型也不斷涌現(xiàn)。如MOTOROLA 和PHIL IPS 均有幾十個(gè)系列,幾百種產(chǎn)品。CPU 從8 ,16 ,32 到64 位,多采用RISC 技術(shù),片上I/O 非常豐富,有的單片機(jī)集成有A/ D , “看門狗”,PWM ,顯示驅(qū)動(dòng),函數(shù)發(fā)生器,鍵盤控制等,它們的價(jià)格也高低不等,這樣極大地滿足了開(kāi)發(fā)者的選擇自由。
低電壓和低功耗
隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,NMOS 工藝單片機(jī)被CMOS代替,并開(kāi)始向HMOS 過(guò)渡。供電電壓由5V 降到3V ,2V 甚至到1V ,工作電流由mA 降至μA ,這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地。
DSP芯片
DSP 又叫數(shù)字信號(hào)處理器。顧名思義,DSP 主要用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域,非常適合高密度,重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理?,F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計(jì)算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域,常見(jiàn)的手機(jī)、數(shù)字電視和數(shù)碼相機(jī)都離不開(kāi)DSP。DSP用于手機(jī)和基站中為移動(dòng)通信的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn),將在2. 5G和3G中扮演重要角色??梢哉f(shuō),DSP已經(jīng)融入到生活的方方面面。
DSP 相對(duì)于一般微處理器作了很大的擴(kuò)充和增強(qiáng),主要是:
a) 修正的哈佛結(jié)構(gòu),多總線技術(shù)以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi),使用多總線,取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行,以及流水線技術(shù),這使得速度有了較大的提高。
b) 硬件乘法器以及特殊指令。這是區(qū)別于一般微處理器的重要標(biāo)志。一般微處理器用軟件實(shí)現(xiàn)乘法,逐條執(zhí)行指令,速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運(yùn)算,而且還具有專門的信號(hào)處理指令,如TM320 系列的FIRS ,LMS ,MACD 指令等。
EDA 技術(shù)
當(dāng)今電子系統(tǒng)的復(fù)雜性在不斷增加,而電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來(lái)越快,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法難以適應(yīng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,ECAD 在某種程度上減輕了設(shè)計(jì)人員的工作壓力,但其智能化、自動(dòng)化水平仍不盡人意。于是EDA 技術(shù)作為一種全新的技術(shù)誕生了。它正改變著數(shù)字系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)觀念。
EDA(即Electronic Design AutomaTIon) 即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化,它是以計(jì)算機(jī)為工具,在EDA 軟件平臺(tái)上,對(duì)用硬件描述語(yǔ)言HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真,直至對(duì)于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計(jì)者只需用HDL 語(yǔ)言完成系統(tǒng)功能的描述,借助EDA 工具就可得到設(shè)計(jì)結(jié)果,將編譯后的代碼下載到目標(biāo)芯片就可在硬件上實(shí)現(xiàn)。這里的目標(biāo)芯片就是PLD 器件( FPGA/CPLD) 。FPGA/ CPLD 是EDA 技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ),這兩者是分不開(kāi)的??梢哉f(shuō)沒(méi)有PLD 器件,EDA 技術(shù)就成為無(wú)源之水。
EDA 技術(shù)作為一種現(xiàn)代電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式,具有兩方面特點(diǎn)。
修改軟件程序即可改變硬件
由于FPGA/ CPLD 可以通過(guò)軟件編程對(duì)該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu),修改軟件程序就相當(dāng)于改變了硬件,這是非常有用的。軟件可以使用自頂向下的設(shè)計(jì)方案,而且可以多個(gè)人分工并行工作,這些年來(lái)IP 核產(chǎn)業(yè)的崛起,將若干軟核結(jié)合起來(lái)就可以構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng),這一切極大地縮短了開(kāi)發(fā)周期和上市時(shí)間,有利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。
速度快,可靠性高
MCU 和DSP 都是通過(guò)串行執(zhí)行指令來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能,不可避免低速,而FPGA/ CPLD 則可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作,在實(shí)時(shí)測(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊;另一方面,F(xiàn)PGA/CPLD 器件在功能開(kāi)發(fā)上是軟件實(shí)現(xiàn)的,但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣,十分可靠。而MCU 和DSP芯片在強(qiáng)干擾條件下,尤其是強(qiáng)電磁干擾下,很可能越出正常的工作流程,出現(xiàn)PC 跑飛現(xiàn)象。EDA 高可靠性正好克服了它們這一先天不足。
結(jié)束語(yǔ)
單片機(jī),DSP和FPGA/ CPLD 各具特色,滿足了不同需要,已經(jīng)成為數(shù)字時(shí)代的核心動(dòng)力。為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì),三者結(jié)合成為一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。
MCU 與DSP的結(jié)合
MCU 價(jià)格底,能很好地完成通信和智能控制的任務(wù),但信號(hào)處理能力差。DSP恰好相反。把兩者結(jié)合,能滿足同時(shí)需要智能控制和數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合,如蜂窩電話,無(wú)繩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等,這有利于減小體積,降低功耗和成本。
DSP 和FPGA/ CPLD 的結(jié)合
由于FPGA/ CPLD 兼有串/ 并行工作方式,高速度和寬口徑適用性等特點(diǎn),將DSP與FPGA 集成在一個(gè)芯片上,可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理,極大地提高信號(hào)處理速度。另外,F(xiàn)PGA可以進(jìn)行硬件重構(gòu),功能擴(kuò)展或性能改善非常容易??傊?,單片機(jī),DSP , PLD/ EDA 極大地推動(dòng)了信息技術(shù)的發(fā)展。要作為一名工程師,必須掌握從系統(tǒng)設(shè)計(jì)級(jí)、電路設(shè)計(jì)級(jí)到物理實(shí)現(xiàn)級(jí)整個(gè)過(guò)程分析設(shè)計(jì)能力,能熟練使用新器件,新的開(kāi)發(fā)工具,并不斷更新觀念,只有這樣,才能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展,才能把握現(xiàn)在,創(chuàng)造未來(lái)!
PLD入門須知的幾點(diǎn)小常識(shí)!
PLD是可編程邏輯器件(Programable Logic Device)的簡(jiǎn)稱,F(xiàn)PGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programable Gate Array)的簡(jiǎn)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(jiǎn)單的74電路,都可以用PLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLD如同一張白紙或是一堆積木,工程師可以通過(guò)傳統(tǒng)的原理圖輸入法,或是硬件描述語(yǔ)言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過(guò)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(lái)開(kāi)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(yǔ)言(HDL)的進(jìn)步。
如何使用PLD呢?其實(shí)PLD的使用很簡(jiǎn)單,學(xué)習(xí)PLD比學(xué)習(xí)單片機(jī)要簡(jiǎn)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(kāi)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(kāi)發(fā)PLD需要了解兩個(gè)部分:1.PLD開(kāi)發(fā)軟件 2.PLD本身
1.PLD開(kāi)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(yǔ)言來(lái)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(kāi)發(fā)軟件和開(kāi)發(fā)流程。了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu),將有助于提高我們?cè)O(shè)計(jì)的效率和可靠性。
如何獲得PLD開(kāi)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(cè)申請(qǐng)LISENCE文件,如果您對(duì)軟件的安裝還有不清楚,請(qǐng)仔細(xì)閱讀相關(guān)網(wǎng)頁(yè)上的說(shuō)明。 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(gòu)買商業(yè)版軟件。
如果你打算使用VHDL或Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)PLD/FPGA,通常還需要使用一些專業(yè)的HDL開(kāi)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(lái)配合使用。
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(CPLD)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。
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(kāi)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。
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。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(gòu)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。
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,或者用專用配置芯片),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(kāi)發(fā)過(guò)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(wèn)題,Actel等公司在90年代中后期開(kāi)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(lái)說(shuō),感覺(jué)不到配置過(guò)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。
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