[主機板] CPLD介紹

2024/03/13閱讀時間約 6 分鐘

CPLD的原理

CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一種複雜可編程邏輯元件，用戶可以根據自己的需求構造出各種邏輯功能的數字集成電路^[1][2]。CPLD由可編程邏輯的功能圍繞一個可編程互連矩陣構成，由固定長度的金屬線實現邏輯單元之間的互連，並增加了I/O控制模塊的數量和功能^[1][2]。CPLD的基本結構可看成由可編程邏輯陣列（LAB），可編程I/O控制模塊和可編程內部連線（PIA）等三部分組成^[1][2]。

CPLD的結構

CPLD的結構主要由以下三部分組成^[1][2]：

可編程邏輯陣列（LAB）：這是CPLD的核心部件，負責實現布林函數和邏輯功能。每個邏輯陣列都包含一個或多個邏輯元件，這些元件可以編程來實現特定的邏輯功能^[1][2]。
可編程I/O控制模塊：這部分用於與外部電路進行接口，通過輸入緩衝器、輸出驅動器和輸入輸出邏輯來實現信號的輸入和輸出^[1][2]。
可編程內部連線（PIA）：這部分用於連接可編程邏輯單元和輸入輸出塊。這些連線可以編程來實現特定的連接模式，從而實現特定的邏輯功能^[1][2]。

布林函數示意：

布林函數

CPLD的編程

CPLD的編程主要有兩種方法：硬件描述語言（HDL）和圖形化編程工具^[1]。

硬件描述語言如VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）或Verilog，可以用於描述CPLD的邏輯功能和電路結構。下面是一個使用VHDL語言描述的簡單CPLD電路的示例^[1]：

library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;

entity MyCPLD is
port (
    inputA : in std_logic;
    inputB : in std_logic;
    outputC : out std_logic;
    outputD : out std_logic
);
end entity;

architecture Behavioral of MyCPLD is
signal temp1 : std_logic;
signal temp2 : std_logic;

begin
    -- 邏輯操作
    temp1 <= inputA and inputB;
    temp2 <= inputA or inputB;

    -- 輸出訊號
    outputC <= temp1 xor temp2;
    outputD <= not temp2;
end architecture;

圖形化編程工具：例如，Intel的Quartus Prime軟件和Xilinx的ISE軟件提供了圖形化界面，可以通過拖拽、連接和設置器件屬性來快速設計和生成CPLD的配置位流^[1]。

CPLD的應用

CPLD通過編程實現特定的數字電路功能，可以實現各種數字電路的功能，滿足不同應用領域的需求^[1][2]。例如，它可以用於實現各種算法和組合邏輯，也可以用於完成時序邏輯2。此外，由於CPLD的連續式布線結構確定了它的時序延遲是均勻的和可預測的，而FPGA的分段式布線結構確定了其延遲的不可預測性^[2]，因此在某些應用中，CPLD可能比FPGA更具優勢^[2]。

總結來說，CPLD是一種強大的可編程邏輯器件，它通過編程實現特定的數字電路功能，並且具有高度的靈活性和快速的開發周期，因此被廣泛應用於各種數字電路系統^[1][2]。

CPLD在系統主機版的應用

系統管理：CPLD可以用於實現各種系統管理功能，例如監控系統的運行狀態，控制系統的啟動和關閉，以及處理各種硬體事件。

電源管理：CPLD可以用於實現電源管理功能，例如控制電源的開關，監控電源的狀態，以及處理電源相關的事件。此外，CPLD還可以用於實現更複雜的電源管理功能，例如電源順序控制和電源保護。

邏輯閘編輯：CPLD是一種可程式的邏輯裝置，這意味著使用者可以根據需要編輯其內部的邏輯閘，以實現特定的功能。

不斷電更新韌體：當需要更新韌體時，CPLD可以利用在後台更新系統韌體的方式，而不影響相關的控制應用電路，這就是所謂的Hitless Update的功能

CPLD在系統主機版的應用-電源管理

監控“Power Good”信號：CPLD會持續監控每個DC-DC轉換器的“Power Good”數位信號^[3]。這個信號表示電源是否在正常運作範圍內。

CPLD

管理“上電/斷電”：CPLD發出“使能”信號，驅動DC-DC轉換器實現“上電/斷電”時序^[3]。這是為了避免在負載電路上電時導致損壞或邏輯錯誤。
發送控制信號：CPLD可以生成電源相關的控制信號（如復位、電源正常等），以確保負載元件能夠在上電時正常工作，並在斷電時停止運作^[3]。

電源管理架構：有多種基於CPLD的電源管理架構，每種架構都有其優點和缺點^[4][5]。例如，一種架構可能使用CPLD來實現所有的電源時序、保護和控制功能，而另一種架構可能使用CPLD來實現部分功能，並使用其他元件（如微控制器或電源管理IC）來實現其他功能^[4][5]。
靈活性和可擴展性：由於CPLD是可程式的，因此它們提供了高度的靈活性和可擴展性。這意味著工程師可以根據需要修改CPLD的邏輯，以實現特定的電源管理功能^[3]。
不斷電更新韌體：在雲端伺服器中如需要更新韌體，在一般的使用狀態下必須將伺服器斷電後重啟才能更新，但假使能在不斷電的情況下將韌體更新且不影響伺服器的運作，即可達到不關機及更新的便利功能^[6]。