單片機和PLD有什么聯(lián)系與區(qū)別

　　當今，數(shù)字時代的核心動力便是單片機，DSP ，PLD/ EDA ，以其各自的特點滿足了各種需要，推動著信息技術(shù)的快速發(fā)展。這里將對這三類電子產(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，其應用已經(jīng)深入到各個領(lǐng)域各個方面。如今越來越多的電子產(chǎn)品向著智能化、微型化、低功耗方向發(fā)展，其中有的產(chǎn)品還需要實時控制和信號處理。電子系統(tǒng)的復雜性在不斷增加，它迫切要求電子設計技術(shù)也有相應的變革和飛躍。使用純SSI 數(shù)字電路設計系統(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（MCU） 設計系統(tǒng)克服了純SSI 數(shù)字電路系統(tǒng)許多不可逾越的困難，是一個具有里程碑意義的飛躍。而DSP以其極強的信號處理功能贏得了廣闊的市場，得到了廣泛地應用。近年來，PLD 器件迅速發(fā)展，尤其是CPLD/ FPGA 向深亞微米領(lǐng)域進軍，PLD 器件得到了廣泛應用，以CPLD/ FPGA 為物質(zhì)基礎的EDA 技術(shù)誕生了。它具有電子技術(shù)高度智能化、自動化的特點，打破了軟硬件最后的屏障，使得硬件設計如同軟件設計一樣簡單。它作為一種創(chuàng)新技術(shù)正在改變著數(shù)字系統(tǒng)的設計方法、設計過程和設計觀念。單片機，DSP ，PLD/ EDA 以其各自的特點滿足了各種需要，正從各個領(lǐng)域各個層面改變著世界，它們已經(jīng)成為數(shù)字時代的核心動力，推動著信息技術(shù)的快速發(fā)展。

　　以下，我們將對單片機，DSP，PLD/ EDA 分別加以介紹，并作比較和分析。

　　單片機

　　單片機是集成了CPU ，ROM ，RAM 和I/ O 口的微型計算機。它有很強的接口性能，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)測控對象、環(huán)境、接口等特點出發(fā)，向著增強控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性、靈活方便地構(gòu)成應用計算機系統(tǒng)的界面接口的方向發(fā)展。所以，單片機有著自己的特點。

　　品種齊全，型號多樣

　　自從INTEL 推出51 系列單片機，許多公司對它做出改進，發(fā)展成為增強型51 系列，而且新的單片機類型也不斷涌現(xiàn)。如MOTOROLA 和PHIL IPS 均有幾十個系列，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，有的單片機集成有A/ D ， “看門狗”，PWM ，顯示驅(qū)動，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等，它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(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 工藝單片機被CMOS代替，并開始向HMOS 過渡。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)字信號處理器。顧名思義，DSP 主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設備等領(lǐng)域，常見的手機、數(shù)字電視和數(shù)碼相機都離不開DSP。DSP用于手機和基站中為移動通信的發(fā)展做出重要貢獻，將在2. 5G和3G中扮演重要角色。可以說，DSP已經(jīng)融入到生活的方方面面。

　　DSP 相對于一般微處理器作了很大的擴充和增強，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)存儲器分開，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時進行，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志。一般微處理器用軟件實現(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算，而且還具有專門的信號處理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS ，MACD 指令等。

　　EDA 技術(shù)

　　當今電子系統(tǒng)的復雜性在不斷增加，而電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，傳統(tǒng)的設計方法難以適應。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，ECAD 在某種程度上減輕了設計人員的工作壓力，但其智能化、自動化水平仍不盡人意。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)和設計方法，設計過程和設計觀念。

　　EDA（即Electronic Design Automation） 即電子設計自動化，它是以計算機為工具，在EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言HDL 完成的設計文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設計者只需用HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述，借助EDA 工具就可得到設計結(jié)果，將編譯后的代碼下載到目標芯片就可在硬件上實現(xiàn)。這里的目標芯片就是PLD 器件（ FPGA/CPLD） 。FPGA/ CPLD 是EDA 技術(shù)的物質(zhì)基礎，這兩者是分不開的。可以說沒有PLD 器件，EDA 技術(shù)就成為無源之水。

　　EDA 技術(shù)作為一種現(xiàn)代電子系統(tǒng)開發(fā)方式，具有兩方面特點。

　　修改軟件程序即可改變硬件

　　由于FPGA/ CPLD 可以通過軟件編程對該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，修改軟件程序就相當于改變了硬件，這是非常有用的。軟件可以使用自頂向下的設計方案，而且可以多個人分工并行工作，這些年來IP 核產(chǎn)業(yè)的崛起，將若干軟核結(jié)合起來就可以構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，這一切極大地縮短了開發(fā)周期和上市時間，有利于在激烈的市場競爭中搶占先機。

　　速度快，可靠性高

　　MCU 和DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而FPGA/ CPLD 則可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應用領(lǐng)域前景廣闊;另一方面，F(xiàn)PGA/CPLD 器件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)的，但物理機制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。而MCU 和DSP芯片在強干擾條件下，尤其是強電磁干擾下，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

　　單片機，DSP和FPGA/ CPLD 各具特色，滿足了不同需要，已經(jīng)成為數(shù)字時代的核心動力。為了充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢，三者結(jié)合成為一個新的發(fā)展趨勢。

　　MCU 與DSP的結(jié)合

　　MCU 價格底，能很好地完成通信和智能控制的任務，但信號處理能力差。DSP恰好相反。把兩者結(jié)合，能滿足同時需要智能控制和數(shù)字信號處理的場合，如蜂窩電話，無繩網(wǎng)絡產(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，將DSP與FPGA 集成在一個芯片上，可實現(xiàn)寬帶信號處理，極大地提高信號處理速度。另外，F(xiàn)PGA可以進行硬件重構(gòu)，功能擴展或性能改善非常容易。總之，單片機，DSP ， PLD/ EDA 極大地推動了信息技術(shù)的發(fā)展。要作為一名工程師，必須掌握從系統(tǒng)設計級、電路設計級到物理實現(xiàn)級整個過程分析設計能力，能熟練使用新器件，新的開發(fā)工具，并不斷更新觀念，只有這樣，才能適應時代發(fā)展，才能把握現(xiàn)在，創(chuàng)造未來！

　　PLD入門須知的幾點小常識！

　　PLD是可編程邏輯器件（Programable Logic Device）的簡稱，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programable Gate Array）的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時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是電子設計領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術(shù)，它的影響絲毫不亞于70年代單片機的發(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，下至簡單的74電路，都可以用PLD來實現(xiàn)。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設計的正確性。在PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。

　　PLD的這些優(yōu)點使得PLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時也大大推動了EDA軟件和硬件描述語言（HDL）的進步。

　　如何使用PLD呢？其實PLD的使用很簡單，學習PLD比學習單片機要簡單的多，有數(shù)字電路基礎，會使用計算機，就可以進行PLD的開發(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。

　　開發(fā)PLD需要了解兩個部分：1.PLD開發(fā)軟件 2.PLD本身

　　1.PLD開發(fā)軟件

　　由于PLD軟件已經(jīng)發(fā)展的相當完善，用戶甚至可以不用詳細了解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語言來完成相當優(yōu)秀的PLD設計。所以對初學者，首先應了解PLD開發(fā)軟件和開發(fā)流程。了解PLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將有助于提高我們設計的效率和可靠性。

　　如何獲得PLD開發(fā)軟件軟件呢？

　　許多PLD公司都提供免費試用版或演示版（當然商業(yè)版大都是收費的），例如：可以免

　　費從 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軟件提供。以上免費軟件都需要在網(wǎng)上注冊申請LISENCE文件，如果您對軟件的安裝還有不清楚，請仔細閱讀相關(guān)網(wǎng)頁上的說明。 通常這些免費軟件已經(jīng)能夠滿足一般設計的需要，當然，要想軟件功能更強大一些，只能購買商業(yè)版軟件。

　　如果您打算使用VHDL或Verilog HDL硬件描述語言來開發(fā)PLD/FPGA，通常還需要使用一些專業(yè)的HDL開發(fā)軟件，這是因為FPGA廠商提供的軟件的HDL綜合能力一般都不是很強，需要其他軟件來配合使用。

　　對于PLD產(chǎn)品，一般分為：基于乘積項（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)模設計，適合做復雜的組合邏輯，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)模設計，適合做復雜的時序邏輯，如數(shù)字信號處理和各種算法。

　　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開發(fā)軟件中完成設計以后，軟件會產(chǎn)生一個最終的編程文件（如 .pof ）。如何將編程文件燒到PLD芯片中去呢？

　　1.對于基于乘積項（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，電纜一端裝在計算機的并行打印口上，另一端接在PCB板上的一個十芯插頭，PLD芯片有四個管腳（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，掉電后數(shù)據(jù)會消失，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，由這片配置EEPROM先對FPGA加載數(shù)據(jù)，十幾個毫秒到幾百個毫秒后，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是不能重復擦寫，需要使用專用編程器，所以開發(fā)過程比較麻煩，費用也比較昂高。但反熔絲技術(shù)也有許多優(yōu)點：布線能力更強，系統(tǒng)速度更快，功耗更低，同時抗輻射能力強，耐高低溫，可以加密，所以在一些有特殊要求的領(lǐng)域中運用較多，如軍事及航空航天。

　　為了解決反熔絲FPGA不可重復擦寫的問題，Actel等公司在90年代中后期開發(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，但由于配置時間極短，上電就可以工作，所以對用戶來說，感覺不到配置過程，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，但是因為容量大，性能和傳統(tǒng)FPGA相同，也是LUT架構(gòu)，所以Lattice仍把它歸為FPGA。