{"id":60832,"date":"2023-08-28T09:00:00","date_gmt":"2023-08-28T16:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.autodesk.com\/products\/fusion-360\/blog\/?p=60832"},"modified":"2023-08-24T03:03:40","modified_gmt":"2023-08-24T10:03:40","slug":"cpld-overview","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.autodesk.com\/products\/fusion-360\/blog\/it\/cpld-overview\/","title":{"rendered":"Che cos’\u00e8 un CPLD (Complex Programmable Logic Device)?"},"content":{"rendered":"\n

Questo articolo fornisce una panoramica dettagliata di un dispositivo elettronico digitale essenziale noto come CPLD (Complex Programmable Logic Device).<\/em><\/p>\n\n\n\n

\"what-is-cpld\"<\/figure>\n\n\n\n

L’IT (Information Technology), Internet e i chip elettronici sono alla base dell’era digitale moderna. Quasi tutte le tecnologie moderne devono la loro esistenza all’elettronica, da Internet e le comunicazioni cellulari ai computer e ai server. L’elettronica \u00e8 un campo vasto che include molti rami secondari<\/a>. Questo articolo illustra un dispositivo elettronico digitale essenziale noto come CPLD (Complex Programmable Logic Device).<\/p>\n\n\n

Evoluzione dell’elettronica digitale<\/h2>\n\n\n

L’elettronica<\/a> \u00e8 un campo complesso che include migliaia di dispositivi e componenti elettronici. Tuttavia, a grandi linee, i dispositivi elettronici si dividono in due categorie principali: analogici e digitali<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Agli albori della tecnologia elettronica, i circuiti erano analogici, ad esempio il suono, la luce, la tensione e la corrente. Tuttavia, gli ingegneri elettronici hanno presto scoperto che i circuiti analogici sono molto costosi e complessi da progettare. La richiesta di prestazioni veloci e di tempi di turnover rapidi ha portato allo sviluppo dell’elettronica digitale. Oggi quasi tutti i dispositivi informatici esistenti incorporano circuiti integrati e processori digitali. Nel mondo dell’elettronica, i sistemi digitali hanno sostituito completamente l’elettronica analogica a causa dei costi inferiori, del basso rumore, di una migliore integrit\u00e0 del segnale<\/a>, di prestazioni superiori e di una ridotta complessit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

Diversamente da un segnale analogico che include un numero infinito di livelli di dati, un segnale digitale \u00e8 costituito solo da due livelli logici (1s e 0s).<\/p>\n\n\n\n

\"analog-vs-digital-signal\"
Figura 1: Segnale analogico e digitale<\/figcaption><\/figure>\n\n\n

Tipi di dispositivi elettronici digitali<\/h2>\n\n\n

I primi dispositivi elettronici digitali erano piuttosto semplici e includevano solo qualche porta logica. Tuttavia, nel tempo, la complessit\u00e0 dei circuiti digitali \u00e8 aumentata e la programmabilit\u00e0 \u00e8 diventata una caratteristica fondamentale dei moderni dispositivi di controllo digitale. Per offrire la programmabilit\u00e0 sono emerse due diverse classi di dispositivi digitali. La prima classe consisteva nella progettazione di hardware fisso con software riprogrammabile. Alcuni esempi di tali dispositivi sono i microcontroller e i microprocessori. La seconda classe di dispositivi digitali era caratterizzata da hardware riconfigurabile per ottenere una progettazione flessibile dei circuiti logici. Esempi di tali dispositivi includono FPGA, SPLD e CPLD.<\/p>\n\n\n\n

Un chip di un microcontroller \u00e8 dotato di un circuito logico digitale fisso che non pu\u00f2 essere modificato. Tuttavia, la programmabilit\u00e0 si ottiene modificando il software\/firmware che viene eseguito sul chip del microcontroller. Al contrario, un PLD (Programmable Logic Device) \u00e8 costituito da pi\u00f9 celle logiche le cui interconnessioni possono essere configurate utilizzando un linguaggio HDL. Utilizzando un PLD \u00e8 pertanto possibile realizzare molti circuiti logici. Per questo motivo, le prestazioni e la velocit\u00e0 dei PLD sono in genere superiori a quelle dei microcontroller e dei microprocessori. I PLD offrono inoltre ai progettisti di circuiti un maggior grado di libert\u00e0 e flessibilit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

\"programmable-digital-devices\"
Figura 2: Tipi di dispositivi digitali programmabili<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

I circuiti integrati destinati al controllo digitale e all’elaborazione del segnale sono generalmente costituiti da processore, circuito logico e memoria. Ciascuno di questi moduli pu\u00f2 essere realizzato utilizzando tecnologie diverse. La figura seguente illustra le opzioni disponibili:<\/p>\n\n\n\n

\"modules-digital-ics\"
Figura 3: Moduli nei circuiti integrati digitali<\/figcaption><\/figure>\n\n\n

Introduzione ai dispositivi CPLD<\/h2>\n\n\n

Come gi\u00e0 accennato, esistono diversi tipi di PLD (Programmable Logic Device), come FPGA, CPLD e SPLD. Le differenze principali tra questi dispositivi sono la complessit\u00e0 del circuito e il numero di celle logiche disponibili. Un dispositivo SPLD \u00e8 generalmente costituito da alcune centinaia di porte, mentre un dispositivo CPLD include alcune migliaia di porte logiche.<\/p>\n\n\n\n

In termini di complessit\u00e0, un CPLD (Complex Programmable Logic Device) si colloca tra un SPLD (Simple Programmable Logic Device) e un FPGA (Field-Programmable Gate Array) ed eredita quindi caratteristiche da entrambi i dispositivi. I dispositivi CPLD sono pi\u00f9 complessi dei dispositivi SPLD, ma meno complessi dei dispositivi FPGA.<\/p>\n\n\n\n

I dispositivi SPLD pi\u00f9 utilizzati includono PAL (Programmable Array Logic), PLA (Programmable Logic Array) e GAL (Generic Array Logic). Un PLA \u00e8 costituito da un piano AND e da un piano OR. Il programma di descrizione hardware definisce l’interconnessione di questi piani. L’immagine seguente illustra un PLA:<\/p>\n\n\n\n

\"pla-programmable-logic-array\"
Figura 4: Programmable Logic Array (PLA)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Un dispositivo PAL \u00e8 abbastanza simile ad un dispositivo PLA, ma include un solo piano programmabile anzich\u00e9 due (piano AND). La presenza di un piano fisso comporta una riduzione della complessit\u00e0 dell’hardware. Tuttavia, questo vantaggio si ottiene a scapito della flessibilit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

\"pal-programmable-array-logic\"
Figure 5: Programmable Array Logic (PAL)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n

Architettura CPLD<\/h2>\n\n\n

Il CPLD pu\u00f2 essere considerato come un’evoluzione del PAL ed \u00e8 costituito da pi\u00f9 strutture PAL note come macrocelle. Nel pacchetto CPLD, tutti i pin di input sono disponibili per ogni macrocella, mentre ogni macrocella ha un pin di output dedicato. L’illustrazione seguente mostra il diagramma a blocchi di un CPLD.<\/p>\n\n\n\n

\"\"
Figura 6: Diagramma a blocchi di un CPLD<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Dal diagramma a blocchi, \u00e8 possibile osservare che un CPLD \u00e8 costituito da pi\u00f9 macrocelle o blocchi funzionali. Le macrocelle sono collegate tramite un’interconnessione programmabile, chiamata anche GIM (Global Interconnection Matrix). Riconfigurando la matrice GIM, \u00e8 possibile realizzare diversi circuiti logici. I CPLD interagiscono con il mondo esterno utilizzando gli I\/O digitali.<\/p>\n\n\n

Differenze tra CPLD e FPGA<\/h2>\n\n\n

Negli ultimi anni, i dispositivi FPGA sono diventati molto popolari nella progettazione di sistemi digitali programmabili. Esistono molte analogie e differenze tra CPLD e FPGA. Per quanto riguarda le analogie, entrambi sono dispositivi logici programmabili costituiti da array di porte logiche. Entrambi i dispositivi vengono programmati utilizzando un linguaggio HDL, ad esempio Verilog HDL o VHDL.<\/p>\n\n\n\n

La prima differenza tra CPLD e FPGA \u00e8 il numero di porte. Un CPLD contiene alcune migliaia di porte logiche, mentre un FPGA pu\u00f2 includere anche milioni di porte. Di conseguenza, utilizzando un dispositivo FPGA \u00e8 possibile realizzare circuiti e sistemi complessi. Lo svantaggio di questa complessit\u00e0 \u00e8 il costo pi\u00f9 elevato. Pertanto, i CPLD sono pi\u00f9 adatti per applicazioni meno complesse.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Un’altra differenza fondamentale tra questi due dispositivi \u00e8 che i CPLD sono dotati di una EEPROM (Electrically Erasable Programmable Random-Access Memory) integrata non volatile, mentre i dispositivi FPGA hanno una memoria volatile. Per questo motivo, un CPLD pu\u00f2 conservare i propri contenuti anche quando viene spento, mentre un dispositivo FPGA non \u00e8 in grado di farlo. Inoltre, grazie alla memoria non volatile integrata, un CPLD pu\u00f2 iniziare a funzionare immediatamente dopo l’accensione. La maggior parte dei dispositivi FPGA richiede invece un flusso di bit da una memoria esterna non volatile per l’avvio.<\/p>\n\n\n\n

In termini di prestazioni, i dispositivi FPGA hanno un ritardo di elaborazione del segnale imprevedibile a causa dell’architettura altamente complessa e della programmazione personalizzata dell’utente. Nei dispositivi CPLD, il ritardo pin-to-pin \u00e8 notevolmente inferiore grazie ad una architettura pi\u00f9 semplice. Il ritardo nell’elaborazione del segnale \u00e8 un fattore da tenere in considerazione quando si progettano applicazioni in tempo reale integrate critiche per la sicurezza.<\/p>\n\n\n\n

A causa delle frequenze operative pi\u00f9 elevate e delle operazioni logiche pi\u00f9 complesse, alcuni dispositivi FPGA possono consumare pi\u00f9 energia dei dispositivi CPLD. La gestione termica \u00e8 quindi un aspetto importante dei sistemi basati su FPGA. Per questo motivo, i sistemi basati su FPGA spesso utilizzano dissipatori di calore e ventole di raffreddamento e necessitano di alimentatori e reti di distribuzione pi\u00f9 grandi e complesse.<\/p>\n\n\n\n

Dal punto di vista della sicurezza delle informazioni, i dispositivi CPLD sono pi\u00f9 sicuri in quanto la memoria \u00e8 incorporata nel chip stesso. Al contrario, la maggior parte dei dispositivi FPGA richiede una memoria non volatile esterna, che pu\u00f2 rappresentare una minaccia per la sicurezza dei dati. Anche se nei dispositivi FPGA sono presenti algoritmi di crittografia dei dati, i dispositivi CPLD sono intrinsecamente pi\u00f9 sicuri rispetto ai dispositivi FPGA.<\/p>\n\n\n

Applicazioni dei CPLD<\/h2>\n\n\n

I CPLD trovano applicazione in molti circuiti di controllo digitale e di elaborazione del segnale di complessit\u00e0 medio-bassa. Alcune delle applicazioni pi\u00f9 importanti includono:<\/p>\n\n\n\n

    \n
  1. I dispositivi CPLD possono essere utilizzati come bootloader per FPGA e altri sistemi programmabili.<\/li>\n\n\n\n
  2. I dispositivi CPLD vengono spesso utilizzati come decoder di indirizzi e macchine a stati personalizzate nei sistemi digitali.<\/li>\n\n\n\n
  3. Grazie alle dimensioni ridotte e al basso consumo energetico, i CPLD sono ideali per l’utilizzo in dispositivi digitali portatili e palmari<\/a>.<\/li>\n\n\n\n
  4. I CPLD vengono utilizzati anche in applicazioni di controllo critiche per la sicurezza.<\/li>\n<\/ol>\n\n\n

    Produttori di CPLD<\/h2>\n\n\n

    CPLD e FPGA sono dispositivi logici programmabili di fascia alta difficili da produrre. I principali produttori di CPLD sono:<\/p>\n\n\n\n

      \n
    1. Altera (acquisito da Intel)<\/a><\/li>\n\n\n\n
    2. Xilinx (acquisito da AMD)<\/a><\/li>\n\n\n\n
    3. Atmel (acquisito da Microchip)<\/a><\/li>\n\n\n\n
    4. Semiconduttore a reticolo<\/a><\/li>\n<\/ol>\n\n\n

      Programmazione e sviluppo di CPLD<\/h2>\n\n\n

      Il primo passo nello sviluppo di un sistema digitale basato su CPLD \u00e8 la scelta del produttore del dispositivo. Come anticipato, esistono diversi produttori di questi dispositivi. Dopo aver consultato i requisiti del progetto e le schede tecniche dei dispositivi, \u00e8 necessario selezionare un dispositivo appropriato. I fattori decisivi sono i costi, il consumo energetico, il numero di I\/O e di macrocelle, la tensione operativa e le caratteristiche termiche.<\/p>\n\n\n\n

      Dopo aver selezionato il modello CPLD, si proceder\u00e0 alla configurazione dell’ambiente di programmazione e test, che comprende un pacchetto software utilizzato per la progettazione, il collaudo e la verifica del circuito. Alcuni esempi di software di programmazione sono Altera Quartus, Xilinx ISE\/Vivado, Lattice Diamond e Atmel ProChip Designer. Questi pacchetti software consentono lo sviluppo del programma utilizzando i linguaggi di descrizione hardware Verilog e VHDL.<\/p>\n\n\n\n

      Dopo aver creato la descrizione logica in HDL, il dispositivo hardware o la scheda di sviluppo si collega al software tramite un adattatore via cavo di programma e di debug. Molte schede di sviluppo includono dispositivi di programmazione integrati. Tuttavia, se il dispositivo di programmazione non \u00e8 presente, \u00e8 possibile utilizzare un programmatore JTAG.<\/p>\n\n\n\n

      Dopo la progettazione, il test e la verifica del programma CPLD, il programma viene scaricato nel chip ed \u00e8 possibile produrre un prototipo di sistema. \u00c8 inoltre possibile progettare una PCB<\/a> che ospita il CPLD e i componenti elettronici circostanti. Dopo l’integrazione, viene eseguito il test del dispositivo per individuare eventuali errori e bug. Al termine del debug, il prototipo \u00e8 pronto per essere inviato in produzione.<\/p>\n\n\n\n

      L’elettronica digitale \u00e8 alla base delle moderne tecnologie dell’informazione. La programmabilit\u00e0 \u00e8 un fattore chiave nella progettazione dei sistemi digitali. Esistono due tipi di dispositivi digitali programmabili: processori e PLD. I PLD offrono prestazioni e flessibilit\u00e0 superiori grazie all’hardware riconfigurabile. I CPLD sono uno dei tre principali tipi di PLD, insieme ai dispositivi SPLD e FPGA. In termini di prestazioni e complessit\u00e0, i CPLD si collocano tra SPLD e FPGA. Grazie alla EEPROM non volatile integrata, i CPLD hanno il vantaggio di garantire una maggiore sicurezza dei dati e velocit\u00e0 di avvio rispetto ai dispositivi FPGA.<\/p>\n\n\n\n

      In questo articolo, abbiamo fornito una panoramica completa dei CPLD, che include aspetti come l’architettura<\/a>, i diagrammi, le applicazioni e i metodi di programmazione.<\/p>\n\n\n\n

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