单片机和PLD有什么联系与区别

当今，数字时代的核心动力便是单片机，DSP，PLD/EDA，以其各自的特点满足了各种需要，推动着信息技术的快速发展。这里将对这三类电子产品分别加以介绍，并作比较和分析。

引言

信息技术正在快速发展，其应用已经深入到各个领域各个方面。如今越来越多的电子产品向着智能化、微型化、低功耗方向发展，其中有的产品还需要实时控制和信号处理。

电子系统的复杂性在不断增加，它迫切要求电子设计技术也有相应的变革和飞跃。使用纯SSI数字电路设计系统工作量大，灵活性低，而且系统可靠性差。广泛使用单片机（MCU）设计系统克服了纯SSI数字电路系统许多不可逾越的困难，是一个具有里程碑意义的飞跃。而DSP以其极强的信号处理功能赢得了广阔的市场，得到了广泛地应用。

近年来，PLD器件迅速发展，尤其是CPLD/FPGA向深亚微米领域进军，PLD器件得到了广泛应用，以CPLD/FPGA为物质基础的EDA技术诞生了。它具有电子技术高度智能化、自动化的特点，打破了软硬件最后的屏障，使得硬件设计如同软件设计一样简单。它作为一种创新技术正在改变着数字系统的设计方法、设计过程和设计观念。单片机，DSP，PLD/EDA以其各自的特点满足了各种需要，正从各个领域各个层面改变着世界，它们已经成为数字时代的核心动力，推动着信息技术的快速发展。

以下，我们将对单片机，DSP，PLD/EDA分别加以介绍，并作比较和分析。

单片机

单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器（MCU）。它与通用处理器不同，它是以工业测控对象、环境、接口等特点出发，向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性、灵活方便地构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。所以，单片机有着自己的特点。

品种齐全，型号多样

自从INTEL推出51系列单片机，许多公司对它做出改进，发展成为增强型51系列，而且新的单片机类型也不断涌现。如MOTOROLA和PHILIPS均有几十个系列，几百种产品。CPU从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/D，“看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等，它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。

低电压和低功耗

随着超大规模集成电路的发展，NMOS工艺单片机被CMOS代替，并开始向HMOS过渡。供电电压由5V降到3V，2V甚至到1V，工作电流由mA降至μA，这在便携式产品中大有用武之地。

DSP芯片

DSP又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域，常见的手机、数字电视和数码相机都离不开DSP。DSP用于手机和基站中为移动通信的发展做出重要贡献，将在2.5G和3G中扮演重要角色。可以说，DSP已经融入到生活的方方面面。

DSP相对于一般微处理器作了很大的扩充和增强，主要是：

a）修正的哈佛结构，多总线技术以及流水线结构。将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据同时进行，以及流水线技术，这使得速度有了较大的提高。

b）硬件乘法器以及特殊指令。这是区别于一般微处理器的重要标志。一般微处理器用软件实现乘法，逐条执行指令，速度慢。而DSP依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令，如TM320系列的FIRS，LMS，MACD指令等。

EDA技术

当今电子系统的复杂性在不断增加，而电子产品的更新换代越来越快，传统的设计方法难以适应。随着计算机技术的发展，ECAD在某种程度上减轻了设计人员的工作压力，但其智能化、自动化水平仍不尽人意。于是EDA技术作为一种全新的技术诞生了。它正改变着数字系统和设计方法，设计过程和设计观念。

EDA（即ElectronicDesignAutomaTIon）即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。设计者只需用HDL语言完成系统功能的描述，借助EDA工具就可得到设计结果，将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。这里的目标芯片就是PLD器件（FPGA/CPLD）。FPGA/CPLD是EDA技术的物质基础，这两者是分不开的。可以说没有PLD器件，EDA技术就成为无源之水。

EDA技术作为一种现代电子系统开发方式，具有两方面特点。

修改软件程序即可改变硬件

由于FPGA/CPLD可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构，修改软件程序就相当于改变了硬件，这是非常有用的。软件可以使用自顶向下的设计方案，而且可以多个人分工并行工作，这些年来IP核产业的崛起，将若干软核结合起来就可以构成一个完整的系统，这一切极大地缩短了开发周期和上市时间，有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。

速度快，可靠性高

MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔;另一方面，FPGA/CPLD器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。而MCU和DSP芯片在强干扰条件下，尤其是强电磁干扰下，很可能越出正常的工作流程，出现PC跑飞现象。EDA高可靠性正好克服了它们这一先天不足。

结束语

单片机，DSP和FPGA/CPLD各具特色，满足了不同需要，已经成为数字时代的核心动力。为了充分发挥它们的优势，三者结合成为一个新的发展趋势。

MCU与DSP的结合

MCU价格底，能很好地完成通信和智能控制的任务，但信号处理能力差。DSP恰好相反。把两者结合，能满足同时需要智能控制和数字信号处理的场合，如蜂窝电话，无绳网络产品等，这有利于减小体积，降低功耗和成本。

DSP和FPGA/CPLD的结合

由于FPGA/CPLD兼有串/并行工作方式，高速度和宽口径适用性等特点，将DSP与FPGA集成在一个芯片上，可实现宽带信号处理，极大地提高信号处理速度。另外，FPGA可以进行硬件重构，功能扩展或性能改善非常容易。总之，单片机，DSP，PLD/EDA极大地推动了信息技术的发展。要作为一名工程师，必须掌握从系统设计级、电路设计级到物理实现级整个过程分析设计能力，能熟练使用新器件，新的开发工具，并不断更新观念，只有这样，才能适应时代发展，才能把握现在，创造未来！

PLD入门须知的几点小常识！

PLD是可编程逻辑器件（ProgramableLogicDevice）的简称，FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgramableGateArray）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。

PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。

PLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。

PLD的这些优点使得PLD技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言（HDL）的进步。

如何使用PLD呢？其实PLD的使用很简单，学习PLD比学习单片机要简单的多，有数字电路基础，会使用计算机，就可以进行PLD的开发。不熟悉PLD的朋友，可以先看一看可编程逻辑器件的发展历程。

开发PLD需要了解两个部分：1.PLD开发软件2.PLD本身

1.PLD开发软件

由于PLD软件已经发展的相当完善，用户甚至可以不用详细了解PLD的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或HDL语言来完成相当优秀的PLD设计。所以对初学者，首先应了解PLD开发软件和开发流程。了解PLD的内部结构，将有助于提高我们设计的效率和可靠性。

如何获得PLD开发软件软件呢？

许多PLD公司都提供免费试用版或演示版（当然商业版大都是收费的），例如：可以免费从上下载Altera公司的QuartusII（web版），或向其代理商索取这套软件。Xilinx公司也提供免费软件：ISEWebPack，这套可以从xilinx网站下载。LatTIce提供ispleverBase版下载，Actel等公司也都有类似的免费软件提供。以上免费软件都需要在网上注册申请LISENCE文件，如果您对软件的安装还有不清楚，请仔细阅读相关网页上的说明。通常这些免费软件已经能够满足一般设计的需要，当然，要想软件功能更强大一些，只能购买商业版软件。

如果您打算使用VHDL或VerilogHDL硬件描述语言来开发PLD/FPGA，通常还需要使用一些专业的HDL开发软件，这是因为FPGA厂商提供的软件的HDL综合能力一般都不是很强，需要其他软件来配合使用。

对于PLD产品，一般分为：基于乘积项（Product-Term）技术，EEPROM（或Flash）工艺的中小规模PLD，以及基于查找表（Look-Uptable）技术，SRAM工艺的大规模PLD/FPGA。

EEPROM工艺的PLD（CPLD）密度小，多用于5，000门以下的小规模设计，适合做复杂的组合逻辑，如译码。SRAM工艺的PLD（FPGA），密度高，触发器多，多用于10，000门以上的大规模设计，适合做复杂的时序逻辑，如数字信号处理和各种算法。

目前有多家公司生产CPLD/FPGA，最大的三家是：ALTERA，XILINX，LatTIce，您可以参阅PLD厂商栏目获得更多信息

2.PLD/FPGA的分类和使用

在PLD/FPGA开发软件中完成设计以后，软件会产生一个最终的编程文件（如.pof）。如何将编程文件烧到PLD芯片中去呢？

1.对于基于乘积项（Product-Term）技术，EEPROM（或Flash）工艺的PLD（如Altera的MAX系列，LatTIce的大部分产品，Xilinx的XC9500，Coolrunner系列），厂家提供编程电缆，电缆一端装在计算机的并行打印口上，另一端接在PCB板上的一个十芯插头，PLD芯片有四个管脚（编程脚）与插头相连。

它向系统板上的器件提供配置或编程数据，这就是所谓的在线可编程。Byteblaster使用户能够独立地配置PLD器件，而不需要编程器或任何其它编程硬件。编程电缆可以向代理商购买，也可以根据厂家提供的编程电缆的原理图自己制作，成本仅需一，二十元。早期的PLD是不支持ISP的，它们需要用编程器烧写。目前的PLD都可以用ISP在线编程，也可用编程器编程。这种PLD可以加密，并且很难解密，所以常常用于单板加密。

2.对于基于查找表（LUT，Look-Uptable）技术，SRAM工艺的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工艺的特点，掉电后数据会消失，因此调试期间可以用下载电缆配置PLD器件，调试完成后，需要将数据固化在一个专用的EEPROM中（用通用编程器烧写，或者用专用配置芯片），上电时，由这片配置EEPROM先对FPGA加载数据，十几个毫秒到几百个毫秒后，FPGA即可正常工作。亦可由CPU配置FPGA。但SRAM工艺的PLD一般不可以直接加密。

3.还有一种反熔丝（Anti-fuse）技术的FPGA，如Actel，Quicklogic的部分产品就采用这种工艺。但这种的PLD是不能重复擦写，需要使用专用编程器，所以开发过程比较麻烦，费用也比较昂高。但反熔丝技术也有许多优点：布线能力更强，系统速度更快，功耗更低，同时抗辐射能力强，耐高低温，可以加密，所以在一些有特殊要求的领域中运用较多，如军事及航空航天。

为了解决反熔丝FPGA不可重复擦写的问题，Actel等公司在90年代中后期开发了基于Flash技术的FPGA，如ProASIC系列，这种FPGA不需要配置，数据直接保存在FPGA芯片中，用户可以改写（但需要10几伏的高电压）。

随着技术的发展，在2004年以后，一些厂家推出了一些新的PLD和FPGA，这些产品模糊了PLD和FPGA的区别。例如Altera最新的MAXII系列PLD，这是一种基于FPGA（LUT）结构，集成配置芯片的PLD，在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置时间极短，上电就可以工作，所以对用户来说，感觉不到配置过程，可以传统的PLD一样使用，加上容量和传统PLD类似，所以altera把它归作PLD。还有像Lattice的XP系列FPGA，也是使用了同样的原理，将外部配置芯片集成到内部，在使用方法上和PLD类似，但是因为容量大，性能和传统FPGA相同，也是LUT架构，所以Lattice仍把它归为FPGA。