Цифровая электроника

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 быстрого 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:

1. разработка структурной формулы проектируемого цифрового устройства, ее минимизация и адаптация под тип и возможности используемой ПЛИС (для этих целей используются методы, рассмотренные в предыдущих главах);
2. создание нового файла проекта, назначение семейства ПЛИС для проекта;
3. ввод структурной формулы или схемы проектируемого устройства с помощью специальных программ – редакторов;
4. компиляция введенной структурной формулы или схемы, т.е. получение битовой последовательности загружаемой в ПЛИС программы;
5. временной анализ задержек в отдельных элементах и проверка работоспособности всей структуры цифрового устройства путем моделирования с помощью специальных программ – симуляторов;
6. 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 Internet, 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 Altera Corporation, Xilinx и Actel Corporation. На их долю приходится до 80 % 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 у.е. Все это, плюс 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.