CPLD初学者入门知识 - 全文

 

　　CPLD按英语说是复杂可编程逻辑器件，对于一个硬件工程师来说，能应用cpld技术是一个十分强大的能力。它的应用可在根本上解决许多数字电路设计的问题，能大幅度改变设计思想，大幅度提高工作效率，甚至可以把以前的数十颗普通分立芯片的功能用一个芯片实现。它还有一个十分优秀的优点，在硬件原理设计和布线的时候，不用考虑引脚的顺序，可从布线方便的角度安排需要的信号位置，使得布线难度大幅度降低。由于布线难度下降，直接带来布线优化的好处。本文就cpld初学者面对的问题做一个简单描述。希望对有志于学习cpld的硬件工程师有所启发。

　　我的老师大学毕业时，还没有cpld呢，可现在是他在指导我做fpga设计工作。

　　1：首先进行的准备是有针对性的学习cpld物理构造和资源

　　先不要着急去买开发板，不要着急写逻辑。了解硬件本身更加重要。Cpld是一个很大的范畴，初学者会淹没在众多厂家、众多资料的海洋中。针对这个问题，笔者建议大家有所针对的进行知识获取，推荐大家以altera的max ii系列cpld为突破口，首当其冲的就是emp240这颗芯片。把它吃透，则max ii系列的其它都很好理解了，构造都一样，只是资源增加而已。其它厂家的也好用了，因为它们都是大同小异的。之所以选择emp240是因为它应用已经很广泛，市场上容易买到，而且价格便宜，批量买只有8元/片左右。

　　Emp240顾名思义具有240个宏单元。简单理解就是有240个触发器，或者理解成240个bit的存储单元。这样都好理解，以后对工程应用就容易估算容量了。对于工程来说，一般这么做，首先依据需求设计引脚的数量，然后再在开发环境中进行逻辑编写、软仿真，这样，在硬件完全没有开始之前，就能把逻辑部分全部设计完，只差物理验证一步了。仿真分2布，写逻辑时用quartus自带的仿真即可。逻辑写完之后，最好用model sim。Model sim是专门的仿真软件，功能十分强大，但对初学者来说，最好先不要介入这个领域。先把cpld用上是最主要的。

　　好了，这样就把目标缩小到一个点上了。需要花功夫把240的相关资料吃透，把quartus用熟。到这里，一分钱都不用花。时间用在3个点上：1、240的构造和资源，2、quartus软件使用，3、verilog hdl语言学习。

　　设计中，如果你的逻辑需要100个单元，编译后会发现用掉120个单元，这是cpld内部布线需要。作为实际应用，必须要留20%以上的富余量，比如编译结果指示用220个单元，这时就不要用240了，应该使用570，因为240的富余量不够。

　　一个小技巧，针对EPM240和570来说，常用的封装是T100的，就是TQFP100，这2个芯片的封装是向下兼容的，因此，设计时，即便决定使用240，也要按570去画板子。焊接是兼容的，同时万一240不够了，可以改焊570。

　　2：向应用cpld走近一步，用开发板练习。

　　有了上面的基础，可以投资买开发板了，一般卖板子的都配套好软件和编程器了。针对240的开发板可能很少，可能570的好买。注意买cpld的开发板，不要急于用fpga的，学会cpld之后，再用fpga就容易多了。要一步一步来。570的开发板，带仿真器，带软件，带练习光盘，一整套下来估计200-300元人民币。这个资金对你要学会的技术来说，微不足道。

　　开发板光盘有许多例子程序，可以先跑跑看，很容易就上手了。对于初学者来说，cpld技术是一个很大的领域，切记不要急于求成，上来就弄个fpga去加载视频编解码算法，那会十分困难。建议先从最简单的开始，用240替代设计中使用的一些74芯片、完成部分软件功能等，熟能生巧。这个技术绝不是短时间就能达到多高水平的，必须有积累过程。一开始就啃难度高的，会对信心造成打击，长时间没有进展，是让一个硬件工程师最为抓狂的事。

　　对于前期学习准备比较充足的工程师来说，完全可以不买开发板，直接在工程中应用。现在的互联网太方便了，只要你的cpld外围没有接错，由于引脚分布是可编程的，pcb板导致不能用的可能性就大大降低了，鼓励直接自己画pcb去应用。这样掌握得更快。

　　3：cpld与cpu的接口

　　这个问题十分重要，因为cpld大部分扮演的是cpu的扩展，替cpu完成外部引脚资源扩展、输入输出时序管理、部分软件功能实现。很少有让一个cpld单独工作的。

　　Cpld与cpu的接口就十分突出，对于要学cpld的工程师来说，用的cpu可能仅限于51单片机或者arm7系单片机。这种接口算是比较简单了，还是应该循序渐进，从简单的入手，比如用单片机3个io去cpld，由cpld完成74hc138功能，这就是一个简单接口。再进一步，用cpu的p0口和一个io脚接到cpld，用cpld完成373、244、273等功能，这就进了一步，有时序的概念了。最后，用cpu的数据口、晶振、wr、rd、ale等信号接入cpld，把cpld做成几个字节的ram，读写实验。这一关过去之后，cpld与单片机的接口就再无秘密可言了。

　　与51单片机的接口注意必须深刻理解cpu的工作时序，地址与数据口如何复用，ale信号如何锁存地址等。与arm7的接口相对简单，因arm7比较灵活，对外部接口的管理功能强。

　　初学者使用cpld的时候，建议在所有io脚的连线中都串联一个51欧电阻，这样会方便测量，更重要的是能保护cpld的io口，更深入的说，能改善高速信号的振铃、信号反射，提高信号完整性。

　　4：cpld与fpga的简单介绍

　　Cpld比较简单，fpga更加复杂，在cpld基础上，增加了PLL、硬件乘法器、ram块等硬件资源。更有的fpga直接集成了dsp的硬核。Altera的max ii系列cpld，其内部应用了走线池，因此严格地说它已经属于fpga了。

　　目前主要的cpld和fpga厂家是altera和xilinx，还有actel等规模稍小。Altera主要面对商用和工业用，其产品性价比稍好，市场应用最为广泛。Xilinx初期定位在宇航级产品，因此，它的芯片具有更好的性能。后来xilinx也面对商业用户了，因此形成了与altera分庭鼎立的情况，两个这么大的厂家，芯片的系列十分类似。建议初学者使用altera的。当然，使用xilinx也无所谓。

　　Altera的开发环境是quartus，笔者使用的是8.1版，已经老了，但是够用，且不出问题，姑且使用。Xilinx的开发环境是ISE。这些环境本身已经提供了比较完整的仿真功能。但有一个功能更加强大、更加独立的仿真环境是model sim，它分前仿真和后仿真，由于altera和xilinx的主导作用，因此model sim提供了这两家的芯片的完整支持。‘前仿真’属于逻辑仿真，所有瞬态时序同步发生，用于初期测试逻辑功能是否正确。‘后仿真’则带有延迟特性，这与芯片内部构造和编译后的内部走线密切相关。这个后仿真，一般情况下就等同于在实际板子上跑的结果。如果在pcb上跑出现问题，则此问题就比较难解决。

　　软件分两种规范，一个是verilog hdl，一个叫vhdl。前者基本就是c语言的底子，因此对于工程师来说，很容易上手，所以用verilog的人非常多。Vhdl则更加严谨，其语言规范需要一段时间熟悉。如果要长期以hdl语言为伍，则推荐学习vhdl，它的结构更加严谨，能避免比较复杂的问题的发生。听一个在华为的硬件工程师说，华为要求必须熟练一个语言的同时要能看懂另一个语言。