Особенности проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС.

Процесс проектирования и изготовления цифровых устройств традиционным способом, т.е. на основе стандартных интегральных схем комбинационного и последовательностного типов малой и средней степени интеграции, является узкоспециализированным. Это означает, что специалисты, участвующие в процессе создания устройств цифровой техники, выполняют определенные индивидуальные функции в этом процессе. Сам процесс создания состоит из проектных стадий, стадий подготовки производства, отработки технологии и пр. Аналогичной сложностью характеризуется и процесс создания цифровых устройств на основе специализированных интегральных схем высокой степени интеграции. Использование же ПЛИС позволяет существенно сократить объем этих стадий, фактически свести их только к этапам проектирования с помощью ЭВМ.

Существенным преимуществом ПЛИС является их универсальность и возможность программирования под выполнение функций практически любого цифрового устройства. ПЛИС представляет собой полуфабрикат, на основе которого разработчик, обладающий персональным компьютером, несложными и относительно недорогими аппаратными средствами программирования и специальным программным обеспечением, называемым системой автоматизированного проектирования (САПР), имеет возможность проектирования цифрового устройства в рекордно короткие сроки. При этом весь цикл проектирования и программирования доступен всего одному человеку – проектировщику цифровых устройств на базе ПЛИС.

Все современные САПР ПЛИС работают под управлением операционных систем семейства Windows и используют все преимущества ее графического интерфейса. Фирмы-производители интегральных схем ПЛИС осуществляют обычно поддержку своей продукции путем разработки и распространения таких САПР. Проектирование ПЛИС в системе САПР предполагает выполнение следующих этапов:

– разработка структурной формулы проектируемого цифрового устройства, ее минимизация и адаптация под тип и возможности используемой ПЛИС (для этих целей используются методы, рассмотренные ранее);

– создание нового файла проекта, назначение семейства ПЛИС для проекта;

– ввод структурной формулы или схемы проектируемого устройства с помощью специальных программ-редакторов;

– компиляция введенной структурной формулы или схемы, т.е. получение битовой последовательности загружаемой в ПЛИС программы;

– временной анализ задержек в отдельных элементах и проверка работоспособности всей структуры цифрового устройства путем моделирования с помощью специальных программ-симуляторов;

– программирование микросхемы ПЛИС с помощью специальных аппаратных средств - программаторов.

Проектировщику в системе САПР доступны обычно обширные программные библиотеки, задающие функции типовых интегральных схем ТТЛ- и КМОП-типов. Это позволяет синтезировать схему цифрового устройства не только в определенном базисе, т.е. из элементарных функций И, ИЛИ, НЕ, но и используя готовый программный аналог существующих реальных микросхем. Широкие возможности при проектировании представляет глобальная сеть Интернет, через которую осуществляется распространение специально разрабатываемых библиотек компонентов, не имеющихся в стандартных версиях САПР. Для задания схемы проектируемого на базе ПЛИС цифрового устройства широко используются языки описания аппаратных средств, в общем случае называемые HDL (hardware device language). С помощью операторов такого языка можно задать типы комбинационных или последовательностных устройств, сформулировать входные воздействия на них и связи между ними, определить константы и переменные в проекте и т.д.

Среди лидеров в производстве ПЛИС и САПР для них на сегодняшний день можно выделить такие фирмы, как AlteraCorporation, Xilinx и Actel Corporation. На их долю приходится до80% от общего производства ПЛИС, быстродействие которых на сегодняшний день достигло порядка сотен МГц, емкость программируемых матриц И – нескольких миллионов элементов, а стоимость снизилась до десятков условных единиц. Все это, а также кратчайшие сроки проектирования, высокая надежность, объясняемая высокой степенью интеграции отдельных элементов в едином кристалле полупроводника, и, как следствие, минимальное количество внешних межсоединений делает ПЛИС предпочтительной элементной базой по сравнению со стандартными логическими микросхемами комбинационного и последовательностного типов.

Контрольные вопросы

1 Опишите обобщенную структурную схему ПЛИС и поясните свойство их универсальности.

2 Как реализуется принцип программной коммутации логических элементов в ПЛМ?

3 Почему структура ПМЛ оказалась более перспективной по сравнению со структурой ПЛМ?

4 Охарактеризуйте ПЛИС CPLD.

5 Перечислите основные этапы проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС.

6 Перечислите основные преимущества использования ПЛИС по сравнению с микросхемами базовых логических элементов.

Лекция 22