Связь и различия между CPLD, FPGA и DSP 

ARM (Advanced RISC Machines) — это известная компания в индустрии микропроцессоров, разработавшая множество высокопроизводительных, недорогих и энергоэффективных RISC-процессоров, а также связанных технологий и программного обеспечения. ARM также является производителем микроконтроллеров. Архитектура ARM представляет собой первый RISC-микропроцессор, разработанный для бюджетного рынка, и фактически стала отраслевым стандартом для 32-битных микроконтроллеров. Она предлагает ряд ядер, расширений архитектуры, микропроцессорных решений и системных чипов, а также четыре функциональных модуля, которые производители могут конфигурировать в зависимости от потребностей различных пользователей.
Поскольку все продукты используют общую программную платформу, одинаковое программное обеспечение может работать во всех продуктах. В настоящее время ARM занимает более 90% рынка портативных устройств, что позволяет эффективно сократить время разработки и тестирования приложений, а также снизить затраты на исследования и разработки.
DSP (цифровой сигнальный процессор) — это уникальный микропроцессор с собственной полной системой команд, предназначенный для обработки большого объема информации с использованием цифровых сигналов. В компактном чипе цифрового сигнального процессора содержатся управляющее устройство, арифметическое устройство, различные регистры, а также определенное количество памяти. Кроме того, к нему можно подключить несколько памяти и обеспечить взаимодействие с определенным количеством внешних устройств, что делает его полноценным микрокомпьютером с функциональностью как программного, так и аппаратного обеспечения.
DSP использует архитектуру Гарвард, где раздельные шины данных и адресов позволяют хранить программы и данные в двух отдельных пространствах, что обеспечивает полное перекрытие этапов извлечения и выполнения команд. Это означает, что следующая команда может быть извлечена и декодирована одновременно с выполнением предыдущей, что значительно повышает скорость микропроцессора. Кроме того, система поддерживает передачу между пространством команд и данными, что увеличивает гибкость устройства. Принцип работы заключается в преобразовании аналоговых сигналов в цифровые (0/1), последующей модификации, удаления, усиления цифровых сигналов, а также в обратном преобразовании цифровых данных в аналоговые или форматы реального мира в других системных микросхемах. DSP обладает не только программируемостью, но и реальной производительностью в миллионы сложных команд в секунду, что значительно превосходит универсальные микропроцессоры, делая его всё более важным чипом в цифровом электронном мире.
Его мощные возможности обработки данных и высокая скорость работы являются двумя наиболее достойными характеристиками. Благодаря высокой вычислительной способности, быстродействию, компактным размерам и гибкости программирования, он предоставляет эффективное решение для работы с различными сложными приложениями. В соответствии с требованиями цифровой обработки сигналов, DSP-чипы обычно обладают следующими основными характеристиками:

В течение одного такта команды можно выполнить одну операцию умножения и одну операцию сложения.
(2) Программы и данные разделены, что позволяет одновременно обращаться к командам и данным.
(3) Внутри чипа имеется быстрый ОЗУ, который обычно можно одновременно обращаться к двум блокам через независимую шину данных.
(4) Поддержка в аппаратном обеспечении циклов и переходов с низкой или нулевой стоимостью;
(5) Быстрая обработка прерываний и поддержка аппаратного ввода-вывода;
(6) Обладает несколькими аппаратными генераторами адресов, работающими в течение одного такта.
(7) Можно выполнять несколько операций параллельно;
(8) Поддерживает потоковую обработку, позволяя перекрывать выполнение операций, таких как взятие инструкций, декодирование и выполнение.
Конечно, по сравнению с универсальными микропроцессорами, другие универсальные функции DSP-чипов относительно слабее.
FPGA (Field Programmable Gate Array) — сокращение от «полевая программируемая матрица логических элементов». Это продукт дальнейшего развития программируемых устройств, таких как PAL, GAL и PLD, и представляет собой наиболее высокоинтегрированный тип специализированных интегральных схем (ASIC). FPGA ввёл новую концепцию — матрицу логических ячеек (LCA), включающую три основных компонента: программируемые логические блоки (CLB), входные/выходные блоки (IOB) и внутренние соединения (Interconnect).
Пользователи могут переконфигурировать внутренние логические модули и модули ввода-вывода FPGA для реализации собственной логики. Это устройство также обладает характеристиками статической повторной программируемости и динамической перестройки в системе, что позволяет изменять функциональность оборудования, как программное обеспечение. Будучи полуперсонализированным интегральным схемом (ASIC), FPGA устраняет недостатки настраиваемых схем, одновременно преодолевая ограничения по количеству логических элементов у традиционных программируемых устройств. Можно без преувеличения сказать, что FPGA способен выполнять любые функции цифровых устройств — от высокопроизводительных CPU до простых 74-х схем. FPGA подобно чистому листу бумаги или набору конструктора, позволяя инженерам свободно проектировать цифровые системы с помощью традиционного метода ввода схем или языков описания аппаратуры. С помощью программного моделирования можно заранее проверить корректность проекта. После завершения печатной платы, благодаря возможности онлайн-модификации FPGA, можно вносить изменения в проект без физической переделки аппаратной схемы. Использование FPGA для разработки цифровых схем значительно сокращает сроки проектирования, уменьшает площадь печатной платы и повышает надежность системы.

FPGA устанавливается программой, хранящейся в оперативной памяти внутри пластины, поэтому для работы требуется программирование оперативной памяти внутри пластины. Пользователи могут использовать разные способы программирования в зависимости от различных режимов конфигурации. При зарядке чип FPGA считывает данные из EPROM в программируемую оперативную память внутри пластины, и после завершения конфигурации FPGA переходит в рабочее состояние. После отключения электричества FPGA восстанавливается в белый лист, внутренние логические отношения исчезают, поэтому FPGA может использоваться повторно. Программирование FPGA не требует специального компилятора FPGA, но требует использования общего компилятора EPROM и PROM. При необходимости изменения функции FPGA достаточно заменить EPROM. Таким образом, один и тот же чип FPGA, различные данные программирования, может генерировать различные функции схемы. Поэтому использование FPGA очень гибкое. Можно сказать, что чипы FPGA являются одним из лучших вариантов для небольших партий систем для улучшения интеграции и надежности системы. В настоящее время FPGA имеет множество разновидностей: XC серии XILINX, TPC серии TI, FIEX серии ALTERA и т.д.
В чем же их отличие?
ARM обладает относительно мощными функциями управления транзакциями, которые могут быть использованы для запуска интерфейсов и приложений и т. Д. Преимущества в основном отражены в контроле, в то время как DSP в основном используется для вычислений, таких как шифрование и дешифрование, модуляция и т. Д. Преимущество заключается в сильной способности обработки данных и более высокой скорости работы. FPGA может быть запрограммирована с помощью VHDL или verilogHDL и является гибкой, поскольку она может программировать, устранять ошибки, перепрограммировать и повторять операции, поэтому она может быть полностью разработана и проверена. Преимущества FPGA лучше видны, когда в схему вносятся небольшие изменения, и ее способность программировать на месте может продлить срок службы продукта на рынке, и эта способность может быть использована для обновления системы или устранения ошибок.
Как Processor, в чем преимущества и недостатки этих устройств?
На самом деле, C51, ARM, DSP не доступны только пользователям в качестве чипов, необходимо добавить некоторые периферийные схемы для поддержки.
Например: memory controller, interrupt controller, timer, UART, SPI, I2C и так далее.
Поэтому лучше сравнить их с точки зрения процесса.
(1) C51 является 8 – битным; ARM – 32 – битный; У DSP есть 16 бит, но есть и более высокие.
(2) Все говорят, что с точки зрения вычислительной мощности, C51 самый слабый, DSP самый сильный, ARM посередине.

(3) Структурные различия больше, C51 прост, это общая структура фон Неймана; ARM9 – это RISC Гарвардской структуры; Как правило, DSP использует гарвардскую структуру.
(4) Общая площадь чипа C51 очень мала, рабочая частота очень низкая (обычно более 10 МГц, некоторые 24 МГц), поэтому энергопотребление низкое. DSP имеет высокую частоту (более 300 МГц) и поэтому потребляет большую мощность. Площадь чипа ARM также невелика, ARM7 составляет 0,55 квадратных миллиметра, а энергопотребление относительно невелико. Частота около (от нескольких десятков до 200 МГц)
(5) Таким образом, C51 в основном используется в системах класса управления, которые не требуют большого количества вычислений. Как правило, они оснащены богатыми периферийными модулями. DSP в основном используется в системах высокого класса, требующих сложных вычислений, таких как обработка изображений, шифрование и расшифровка, навигационные системы и т. Д. Периферийные модули, как правило, меньше. ARM – это компромисс между C51 и DSP.
(6) Подчеркните: производительность C51 намного ниже, чем у ARM и DSP, но по – прежнему занимает важное место из – за соотношения производительности и цены. Потому что он слишком зрелый, слишком маленький, слишком дешевый. В некоторых областях, требующих сложных вычислений, DSP также незаменима. Успех ARM заключался в том, что он нашел компромисс и создал очень гибкую бизнес – модель.
CPLD (Complex Programmable Logic Device) – сложное программируемое логическое устройство, разработанное на основе PAL и GAL – устройств, относительно крупномасштабное, сложное по структуре и входящее в диапазон крупномасштабных интегральных схем. Это цифровая интегральная схема, в которой пользователь сам создает логические функции в соответствии со своими потребностями. Его основной метод проектирования заключается в том, чтобы с помощью интегрированной платформы разработки программного обеспечения, с помощью принципиальных схем, языка описания оборудования и других методов, генерировать соответствующие целевые файлы, загружая кабели (« программируемые в системе») для передачи кода в целевой чип, чтобы реализовать проектную цифровую систему.
Различия между FPGA и CPLD
Определение и классификация FPGA и CPLD в основном основаны на их структурных характеристиках и принципах работы. Как правило, устройства, составляющие логическое поведение в виде структуры элементов произведения, называются CPLD, например, серия ISPLSI Lattice, серия XC9500 Xilinx, серия MAX7000S Altera и серия Mach Lattice (ранее Vantis).
Устройства, составляющие логическое поведение с помощью табличной структуры, называются FPGA, например, серия SPARTAN для Xilinx, серия FLEX10K для Altera или ACEX1K.
Хотя и FPGA, и CPLD являются программируемыми ASIC – устройствами и имеют много общих черт, они имеют свои особенности из – за структурных различий между CPLD и FPGA:

CPLD лучше подходит для выполнения различных алгоритмов и комбинированной логики, а FPGA лучше подходит для завершения логики временных рядов. Другими словами, FPGA больше подходит для триггерных структур, в то время как CPLD лучше подходит для триггерных структур с ограниченным количеством элементов.
Непрерывная кабельная структура CPLD определяет, что ее временная задержка равномерна и предсказуема, в то время как сегментная кабельная структура FPGA определяет непредсказуемость задержки.
FPGA обладает большей гибкостью в программировании, чем CPLD. CPLD программируется путем изменения логических функций с фиксированными внутренними связями, FPGA программируется главным образом путем изменения проводки внутренних соединений; FPGA можно программировать под логическими воротами, в то время как CPLD программируется под логическими блоками.
FPGA имеет более высокую степень интеграции, чем CPLD, с более сложной структурой проводки и логической реализацией.
CPLD более удобен в использовании, чем FPGA. Программирование CPLD осуществляется с использованием технологии E2PROM или FASTFLASH без использования внешних чипов памяти. Программная информация FPGA должна храниться на внешней памяти, и ее использование является сложным.
CPLD быстрее, чем FPGA, и имеет большую временную предсказуемость. Это связано с тем, что FPGA – это портативное программирование и распределенные соединения между CLB, в то время как CPLD – это логическое блочное программирование, а соединения между логическими блоками – это агрегированные.
Программирование CPLD в основном основано на памяти E2PROM или FLASH, которая может быть запрограммирована до 10 000 раз, преимущество заключается в том, что информация о программировании не теряется, когда система отключается. В свою очередь, CPLD можно разделить на две категории: программирование на компьютере и системное программирование. Большинство FPGA основано на программировании SRAM, в котором программируемая информация теряется во время отключения системы, и программные данные перезаписываются в SRAM из – за пределов устройства каждый раз, когда происходит зарядка. Преимущество заключается в том, что он может быть запрограммирован произвольно и может быть быстро запрограммирован на работе, обеспечивая динамическую конфигурацию как на уровне платы, так и на уровне системы.
• CPLD – хорошая конфиденциальность, FPGA – плохая конфиденциальность.
Как правило, CPLD потребляет больше энергии, чем FPGA, и чем выше степень интеграции, тем очевиднее.