FPGA/CPLD可编程逻辑：CLB结构与编程技术解析

本文主要介绍了可编程逻辑器件中的可编程逻辑块（CLB）以及FPGA和CPLD的基本结构和编程技术。 在 FPGA（Field-Programmable Gate Array）和 CPLD（Complex Programmable Logic Device）中，可编程逻辑块（CLB）是其核心组成部分，用于实现用户自定义的数字逻辑功能。CLB通常由逻辑函数发生器、触发器和数据选择器等部分构成。逻辑函数发生器基于查找表（LUT，Look-Up Table），LUT 是一种快速实现任意布尔函数的结构，通过配置存储在查找表中的数据，可以实现各种不同的逻辑功能。 编程技术是PLD的核心特性，它使得用户能够根据需要定制芯片的功能。常见的编程技术包括： 1. 熔丝（Fuse）和反熔丝（Anti-fuse）编程技术：熔丝编程是在未编程时连接，编程时熔断不需要连接的熔丝；反熔丝则相反，未编程时开路，编程时连接需要的路径。Actel的FPGA使用反熔丝技术，具有体积小、集成度高、速度快、易加密等优点，但一旦编程就无法更改，灵活性较低。 2. 浮栅型电可写紫外线擦除编程技术：浮栅管是一种可以存储电荷的结构，通过注入或移除电子改变其导电性，实现编程。这种技术允许反复编程，但在每次上电时无需重新加载，但速度较慢，功耗相对较高。 3. 浮栅型电可写电擦除编程技术（E2PROM）：利用隧道效应在浮栅和漏极之间的薄氧化层进行编程和擦除。这种方法也支持多次编程，并且在断电后能保持信息，但速度和功耗相比浮栅型紫外线擦除技术可能更差。 FPGA 和 CPLD 的编程过程通常是通过编程设备将用户设计的逻辑配置数据加载到内部的存储器中，这些存储器控制CLB和其他结构的连接，从而实现特定的逻辑功能。这一特性使得这些器件在原型设计、产品开发以及需要灵活逻辑配置的场合中非常有用。 在实际应用中，FPGA 通常用于需要高速、并行处理和即时响应的场合，如通信、图像处理和高性能计算等领域；而CPLD则常用于相对简单的逻辑控制和接口应用，因其结构相对固定，通常在系统设计中作为辅助逻辑使用。 理解CLB的结构和PLD的编程技术对于有效地利用FPGA和CPLD进行硬件设计至关重要，它们是现代数字系统设计中不可或缺的工具。