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【硬件有道】:ARM、DSP、FPGA的特点和区别

发布于 2015/06/04-16:21 标签: / / /

 ARM、DSP、FPGA的特点和区别

一、ARM、DSP、FPGA的异同点

ARM(AdvancedRISCMachines

 

是微处理器行业的一家知名企业,设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器,基本是32位单片机的行业标准,它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案,四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。由于所有产品均采用一个通用的软件体系,所以相同的软件可在所有产品中运行。目前ARM在手持设备市场占有90以上的份额,可以有效地缩短应用程序开发与测试的时间,也降低了研发费用。

DSP(digitalsignalprocessor

是一种独特的微处理器,有自己的完整指令系统,是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等,在其外围还可以连接若干存储器,并可以与一定数量的外部设备互相通信,有软、硬件的全面功能,本身就是一个微型计算机。DSP采用的是哈佛设计,即数据总线和地址总线分开,使程序和数据分别存储在两个分开的空间,允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令,并进行译码,这大大的提高了微处理器的速度。另外还允许在程序空间和数据空间之间进行传输,因为增加了器件的灵活性。其工作原理是接收模拟信号,转换为0或1的数字信号,再对数字信号进行修改、删除、强化,并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序,远远超过通用微处理器,是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度,是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强,速度很快,体积很小,而且采用软件编程具有高度的灵活性,因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。

当然,与通用微处理器相比,DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

FPGA(FieldProgrammableGateArray

 

FPGA是现场可编程门阵列的缩写,它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路,FPGA既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲,FPGA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FPGA来实现。

FPGA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FPGA的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA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。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

二、区别是什么呢?

ARM具有比较强的事务管理功能,可以用来跑界面以及应用程序等,其优势主要体现在控制方面。

DSP主要是用来计算的,比如进行加密解密、调制解调等,优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。

FPGA可以用VHDL或verilogHDL来编程,灵活性强,由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作,因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路有少量改动时,更能显示出FPGA的优势,其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命,而这种能力可以用来进行系统升级或除错。

三种器件各有其优势,所以是谁也没有办法替代谁。主要的竞争在FPGA与DSP,低端CPU之间展开。因为DSP和CPU都是专用集成电路,所以内部时钟频率可以做的很高,密度可以做的很高,特别是CPU,往往都代表了半导体的最新最高工艺。现在PC机上的CPU以GHz为计量单位,而FPGA基本500MHz就封顶了。

DSP是软件实现算法。FPGA是硬件实现算法,所以FPGA的处理速度会更高。FPGA比DSP快的一个重要原因是FPGA可以实现并行运算,而DSP由于硬件结构条件限制,主要还是依靠软件来提取指令执行,理解为还是串行执行的!FPGA可以通过并行处理和流水线,达到比CPU和DSP更高的数据处理能力。而且现在FPGA也内嵌了DSP模块和CPU,可以设计成片上系统。对于对CPU要求不高的单板,只要使用FPGA内的CPU就可以了,不需要另外再贴块CPU芯片了。

三、ARM、DSP、FPGA、CPLD、SOPC、SOC之间有什么区别和联系

ARM是一种嵌入式芯片,比单片机功能强,可以针对需要增加外设。类似于通用cpu,但是不包括桌面计算机。

DSP主要用来计算,计算功能很强悍,一般嵌入式芯片用来控制,而DSP用来计算,譬如一般手机有一个ARM芯片,主要用来跑界面,应用程序,DSP可能有两个(adsp , mdsp)或一个,主要是加密解密,调制解调等。

FPGA和CPLD都是可编程逻辑器件,都可以用VHDL或verilogHDL来编程,一般CPLD使用乘积项技术,粒度粗些;FPGA使用查找表技术,粒度细些,适用触发器较多的逻辑。其实多数时候都忽略它们的差异,一般在设计ASIC芯片时要用FPGA验证,然后再把VHDL等程序映射为固定的版图,制作ASIC芯片,在设计VHDL程序时,有可能要使用C仿真。

SOC就是单片系统,主要是器件太多设计复杂,成本高,可靠性差等缺点,所以单片系统是一个发展趋势。

SOPC就是可编程芯片系统,就是可以用FPGA/CPLD实现一个单片系统,譬如altera的Nios软核处理器嵌入到Stratix中。

●FPGA与CPLD的区别

尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件,有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异,具有各自的特点:

①CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA更适合于完成时序逻辑。换句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。

②CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。

③在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。

④FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。

⑤CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用e2prom或fastflash技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。

⑥CPLD的速度比FPGA快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程,并且clb之间采用分布式互联,而CPLD是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。

⑦在编程方式上,CPLD主要是基于e2prom或fastflash存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于sram编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入sram中。其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。

⑧CPLD保密性好,FPGA保密性差。

⑨一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明显。

随著复杂可编程逻辑器件(CPLD)密度的提高,数字器件设计人员在进行大型设计时,既灵活又容易,而且产品可以很快进入市场。许多设计人员已经感受到CPLD容易使用、时序可预测和速度高等优点,然而,在过去由于受到CPLD密度的限制,他们只好转向FPGA和ASIC。现在,设计人员可以体会到密度高达数十万门的CPLD所带来的好处。

CPLD结构在一个逻辑路径上采用1至16个乘积项,因而大型复杂设计的运行速度可以预测。因此,原有设计的运行可以预测,也很可靠,而且修改设计也很容易。CPLD在本质上很灵活、时序简单、路由性能极好,用户可以改变他们的设计同时保持引脚输出不变。与FPGA相比,CPLD的I/O更多,尺寸更小。

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