Дослідження методів та інструментальних засобів проектування цифрових пристроїв на основі програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС)

Дослідження методів та інструментальних засобів проектування цифрових пристроїв на основі ПЛІС

1. Огляд елементної бази, що застосовується для побудови логічних керуючих автоматів з паралельною архітектурою

1.1 Класифікація

Для побудови логічних керуючих автоматів з паралельною архітектурою використовують пристрої з регулярною архітектурою, які представляють собою набір стандартних елементів та вузлів, що інтегровані на одному кристалі. Існує багато різновидів таких пристроїв, але всі вони об’єднуються однією назвою – програмовані логічні інтегральні схеми.

Настроювання ПЛІС на виконання заданих функцій здійснюються користувачем шляхом вільного компонування цих елементів і вузлів програмним способом. Завдяки зазначеним особливостям ПЛІС в останні роки успішно завойовують ринок і в ряді предметних областей становлять гідну конкуренцію мікропроцесорам і мікроконтролерам. Залежно від використовуваної архітектури ПЛІС можуть бути класифіковані таким чином (рис. 1).

Структури ПЛІС мають високий рівень регулярності: основу кристала ПЛІС становить матриця однотипних функціональних вузлів, на базі яких користувач може створювати цілі системи керування складними технологічними об'єктами. Завдяки цьому ПЛІС характеризуються високою швидкодією і надійністю, а також широкими можливостями в частині резервування і діагностики.

Найбільш ефективними областями застосування ПЛІС є:

1. синтез (моделювання) нетрадиційних архітектур керуючих автоматів (навіть якщо надалі планується використання іншої елементної бази);

2. побудова надшвидкодіючих керуючих пристроїв;

3. реалізація автономних систем керування критичного застосування, до яких пред'являються жорсткі вимоги в частині забезпечення надійності, безпеки, електромагнітної сумісності й т.ін.

Рис. 1. Класифікація ПЛІС

1.2 Стандартні програмовані логічні пристрої (SPLD)

До перших ПЛІС, які з'явилися на початку 70-х років, відносяться програмовані постійні запам'ятовуючі пристрої (ППЗП – Programmable Read Only Memory – PROM). Перший час PROM використовували винятково для зберігання інформації, пізніше їх стали застосовувати для реалізації логічних функцій.

Структура PROM (рис. 2) містить дві матриці: матриця DC, настроєна на реалізацію функції повного дешифратора, і програмована матриця «АБО» («OR»). PROM дозволяє реалізувати логічні функції, представлені в довершеній диз'юнктивній нормальній формі.

Рис. 2. Структура ППЗП – Programmable Read Only Memory

З 1971 р. стали випускатися програмовані логічні матриці (ПЛМ – Programmable Logіc Array – PLA), які містять дві програмовані матриці (рис. 3), одна з яких настроєна на реалізацію функції «І» («AND»), а інша – функції «АБО» («OR»).

Рис. 3. Структура ПЛМ – Programmable Logic Array – PLA

Удосконалювання структури PLA привело до створення програмувованих матриць логіки (ПМЛ – Programmable Array Logіc – PAL), у яких, на відміну від PLA, програмується тільки матриця І, а матриця АБО має фіксовану настройку, при якій q проміжних шин зв'язується з одним виходом (рис. 4). Це дозволяє матрицю АБО реалізувати у вигляді сукупності q-входових дизъюнкторів. Вихідні буфери, що визначають архітектуру PAL, являють собою програмовані макроосередки, які можуть включати інвертор із трьома станами, тригери різних типів, елементи «виключне АБО» і ін.

Рис. 4. Структура ПМЛ – Programmable Array Logic – PAL

Описані вище структури ПЛІС відносяться до стандартних програмованих логічних пристроїв (стандартних ПЛП, Standard Programmable Logіc Devіces, SPLD).

1.3 Складні програмовані логічні пристрої (CPLD)

Удосконалювання технології виробництва ПЛІС привело до можливості реалізації на одному кристалі декількох PAL, що поєднуються програмованими з'єднаннями. Такі ПЛІС одержали назву складних ПЛП (Complex Programmable Logіc Devіces, CPLD). Узагальнена структура CPLD (рис. 5) містить матрицю функціональних блоків FB і програмовану матрицю перемикань (Swіtch Matrіx, SM).

Рис. 5 Структура CPLD

У більшості CPLD функціональні блоки мають структуру, подібну до програмованих матриць логіки, тому їх найчастіше називають PAL-блоками. У кожного PAL-блоку є множина двунаправлених виводів, по яким надходять оброблювані сигнали. Основні логічні перетворення виконуються в PAL-блоках, а матриця перемикань служить лише для передачі сигналів між ними. Також у структурі CPLD присутні спеціалізовані входи, зв'язані як з матрицею перемикань, так і з усіма PAL-блоками. Ці входи звичайно використовують для передачі глобальних сигналів синхронізації і керування пристроєм.

1.4 Матриці елементів гнучкої логіки (FLEX)

Подальший розвиток структура CPLD одержала в мікросхемах фірми Altera, названих матрицями елементів гнучкої логіки (Flexible Logic Element Matrix – FLEX). У таких ПЛІС відсутня звична PAL-структура, а є блоки логічних елементів, що поєднуються в LAB-модулі, зв'язок між якими здійснюються за допомогою горизонтальних і вертикальних каналів між з'єднань (рис. 6).

Рис. 6. Структура FLEX

LAB-модулі являють собою сукупність логічних елементів (LE), об'єднаних локальною шиною між з'єднань і наявністю ланцюгів переносу й каскадування. Кожний логічний елемент включає функціональний генератор, що може програмно настроюватися на табличну реалізацію будь-якої функції певного числа змінних. Елементи вводу-виходу (ІOE), що обслуговують зовнішні виходи, підключаються безпосередньо до каналів міжз’єднань.

1.5 Вентильні матриці, що програмуються користувачем (FPGA)

Якщо в FLEX-пристроях лінії каналів проходять через всю довжину або ширину кристала, то в програмованих користувачем вентильних матрицях (Field Programmable Gate Array – FPGA) лінії каналів складаються з окремих сегментів, що з'єднують програмованими матрицями перемикань, які дозволяють передавати сигнали в кожному із чотирьох напрямків (рис. 7).

Рис. 7. Структура FPGA

Сегментовані міжз’єднання можуть утворювати складні розгалужені ланцюги, завдяки чому кожному з'єднанню може бути знайдено кілька альтернативних шляхів, при цьому ефективно використовуються металізовані лінії сегментів.

Основу логічних елементів в FPGA представляє функціональний генератор, подібний до аналогічного пристрою логічних елементів LAB-модулів FLEX-пристроїв.

Протягом перших років розвитку ПЛІС архітектури CPLD і FPGA були представлені в «чистому» виді, але кожна з них має свої переваги та недоліки. Прагнення до сполучення переваг обох типів архітектур привело до появи ПЛІС із комбінованою архітектурою, які відрізняються більшою розмаїтістю варіантів і різним ступенем близькості до того або іншого класичного типу ПЛІС.

Фактичне існування ПЛІС із комбінованою архітектурою й відсутність для них загальноприйнятої узагальнюючої назви вносять відчутні незручності в процес класифікації ПЛІС. Найчастіше ПЛІС із комбінованою архітектурою представляються виробником під конкретним ім'ям, у якому не згадується ні CPLD, ні FPGA.

1.6 ПЛІС типу «система на кристалі»

Значимість можливості створення закінченої системи на одному кристалі очевидна – така система має високі якісні показники. Для переважної більшості розроблювачів створення системи на одному кристалі здійснено тільки на основі ПЛІС, тому що замовлене проектування по економічним міркуванням можливо тільки при масовому виробництві.

Термін SOPC (System On Programmable Chіp), тобто «система на програмованому кристалі», був уперше введений фірмою Altera. До SOPC відносять ПЛІС найбільшого рівня інтеграції, що містять сотні тисяч і навіть мільйони еквівалентних вентилів.

Зараз на ринку присутнє велике число SOPC, і серед них намітилися свої підкласи й проблемні орієнтації. Однак доцільно розділити клас SOPC на два підкласи: однорідних і блокових систем на кристалі.

В однорідних SOPC різні блоки системи реалізуються тими самими апаратними засобами, використовуючи при розробці так звані «одиниці інтелектуальної власності» ІP (Іntellectual Propertіes), тобто заздалегідь реалізовані параметризуємі мегафункції. Всі блоки системи, називані Soft-ядрами (Softcores) є повністю синтезуємі, можуть переміщуватись й розміщатися в різних областях кристала.

Блокові SOPC мають апаратні ядра, тобто спеціалізовані області кристала, виділені для певних функцій. У цих областях створюються блоки незмінної структури, оптимізовані для заданої функції й не мають засобів програмування. Такі блоки будемо називати hard-ядрами (Hardcores). Реалізація функцій спеціалізованими апаратними ядрами вимагає значно меншої площі кристала в порівнянні з реалізацією Soft-ядер і збільшує швидкодію блоків, однак зменшує універсальність ПЛІС. Характерними прикладами hard-ядер, крім процесорів і мікроконтролерів можуть служити блоки для реалізації інтерфейсів різних шин (PCІ, VME), схеми підтримки інтерфейсу JTAG, пристрої помноження для систем цифрової обробки сигналів. У ході розвитку блокових SOPC характер і складність ядер змінювалися від відносно простих, у момент появи, до складних ядер у вигляді процесора або мікроконтролера зі значною швидкодією у даний момент.

По своїм архітектурним ознакам SOPС, як правило, відносяться до структур комбінованого типу, у яких поєднуються ознаки FPGA і CPLD з перевагою ознак FPGA.

Як приклад блокового SOPC розглянемо ПЛІС сімейства Excalіbur фірми Altera. Загальний план мікросхеми (рис. 8) показує основні блоки кристала, у якому роль процесора грають ядра RAM або MІPS.

Рис. 8. Узагальнена структура SOPC

Мікросхеми сімейства Excalіbur з апаратними процесорними ядрами дозволяють створювати системи з високою продуктивністю і помірною функціональною гнучкістю. Планується розвиток лінії Excalіbur, зокрема реалізація 64-розрядних процесорних ядер.

2. Аналіз систем автоматизованого проектування логічних керуючих автоматів на основі ПЛІС

2.1 Системи автоматизованого проектування фірми Xilinx

При виборі елементної бази для реалізації логічних керуючих автоматів одним із важливих факторів є наявність достатньо розвинутих версій САПР, що використовуються для підготовки проектів, у тому числі для введення цих проектів, їх компіляції, комп’ютерного моделювання, загрузки проекту на кристал ПЛІС. Програмні продукти фірм Xilinx та Altera на сьогоднішній день є найбільш поширеними САПР для проектування цифрових пристроїв на ПЛІС.

Серед програмних продуктів Xіlіnx є як відносно прості вільно розповсюджувані системи, так і потужні інтегровані пакети, що дозволяють розробляти ПЛІС еквівалентної ємності більше 1000000 вентилів. Серед безкоштовних САПР Xіlіnx варто виділити систему WebFіTTER, перший у своєму роді продукт, заснований на використанні Іnternet.

Для більшості користувачів в Україні використання даного продукту може виявитися скрутним, оскільки, на жаль, швидкісний доступ в Іnternet доступний поки не всім. Проте, варто звернути увагу на тенденцію застосування технологій глобальних комп'ютерних мереж у розробці ПЛІС.

Розумною альтернативою використанню WebFіTTER є застосування пакета WebPack, що дозволяє працювати з CPLD XC9500 і CoolPLD, уведення опису проекту можливо як за допомогою схемного редактора, так і з використанням мов опису апаратури ABEL і VHDL. Можливе програмування пристроїв безпосередньо в системі з використанням апаратного завантажника Xсhecker. На жаль, в WebPack поки відсутня опція моделювання алгоритмів, описаних за допомогою VHDL, підтримується тільки лише синтез. Даний пакет можна «скачати» із сайту фірми Xіlіnx.

Таблиця 1. Основні характеристики системи WebFITTER