4.1 Преимущество плис
Программируемые логические интегральные схемы – ПЛИС являются одними из самых перспективных элементов цифровой схемотехники. ПЛИС представляет собой кристалл, на котором расположено большое количество простых логических элементов. Изначально эти элементы не соединены между собой. Соединение элементов (превращение разрозненных элементов в электрическую схему) осуществляется с помощью электронных ключей, расположенных в этом же кристалле. Электронные ключи управляются специальной памятью, в ячейки которой заносится код конфигурации цифровой схемы. Таким образом, записав в память ПЛИС определенные коды, можно собрать цифровое устройство любой степени сложности (это зависит от количества элементов на кристалле и параметров ПЛИС). В отличие от микропроцессоров, в ПЛИС можно организовать алгоритмы цифровой обработки на аппаратном (схемном) уровне. При этом быстродействие цифровой обработки резко возрастает. Достоинствами технологии проектирования устройств на основе ПЛИС являются:
– минимальное время разработки схемы (нужно лишь занести в память ПЛИС конфигурационный код);
– в отличие от обычных элементов цифровой схемотехники здесь отпадает необходимость в разработке и изготовлении сложных печатных плат;
– быстрое преобразование одной конфигурации цифровой схемы в другую (замена кода конфигурации схемы в памяти);
– для создания устройств на основе ПЛИС не требуется сложное технологическое производство. ПЛИС конфигурируется с помощью персонального компьютера на столе разработчика. Потому иногда эту технологию называют «фабрикой на столе».
4.2 Сапр фирмы Altera
Одним из передовых производителей ПЛИС является фирма «Altera». Она предлагает два достаточно развитых пакета программ для проектирования устройств на ПЛИС: MAX+plus II и Quartus II. Так же фирма «Altera» предлагает бесплатные версии этих САПР: MAX+plus II BASELINE и Quartus II Web Edition. Каждый САПР поддерживает все этапы проектирования: Ввод проекта, Компиляция, Верификация и Программирование. Каждый САПР имеет Tutorial (Самоучитель), который устанавливается при инсталляции пакета. Tutorial состоит из занятий, в ходе которых проходится весь цикл проектирования от ввода проекта до программирования микросхем. Ограничениями являются количество поддерживаемых микросхем и некоторые функции для Quartus II. При инсталляции также устанавливаются файлы, описывающие проект так, что в ходе изучения Tutorial можно пропускать отдельные занятия и использовать готовые файлы. Например, можно пропустить "Ввод проекта" и перейти к "Компиляции" проекта, используя готовые файлы.
САПР MAX+plus II является более простым в освоении по сравнению с Quartus II. Он поддерживает семейства MAX, FLEX и ACEX, которые содержат микросхемы с 5В питанием и количеством функциональных преобразователей от 32 до 4992 и имеет меньшее количество настроек. Этот САПР фирма Altera не развивает и рекомендует переходить на Quartus II.
САПР Quartus II является основным. Фирма Altera активно его развивает. Он поддерживает все новые семейства микросхем и обладает особенностями, которых нет в MAX+plus II. Несмотря на это в данной лабораторной работе рассматривается система проектирования MAX+plus II, так как она проще в изучении, имеет все необходимые средства для разработки и дает фундаментальные знания и навыки проектирования устройств, которые позже могут быть применены в боле сложных САПР.
4.3 Система MAX+Plus II
САПР MAX+plus II (Multiple Array Matrix Programmable Logic User) представляет собой архитектурно-независимую среду проектирования, которая легко приспосабливается к конкретным проектным требованиям и может работать на различных компьютерных платформах.
MAX+plus II предоставляет полный спектр возможностей для проектирования цифрового устройства: различные способы ввода проекта, логический синтез, компиляцию с заданными временными ограничениями, функциональное и временное моделирование, разделение проекта на части и моделирование проекта, выполненного на нескольких микросхемах, временной анализ, автоматическое определение ошибок, программирование и верификацию микросхем. Так же он позволяет вводить и сохранять проекты в виде файлов AHDL (язык описания аппаратуры фирмы Atera), EDIF, Verilog HDL, VHDL, OrCAD. MAX+plus II может использовать netlist файлы фирмы Xilinx для ввода проекта, может создавать выходные SDF (Standard Delay Format) файлы для обеспечения удобного интерфейса с другими САПР промышленного стандарта CAE.
Ниже представлено главное окно программы (рис. 8), оно имеет стандартный интерфейс Windows-приложений. В заголовке окна программы указывается имя и путь последнего проекта, с которым велась работа.
Рисунок 8. Главное окно программы MAX+plus II.
В состав пакета MAX+PLUS II входят следующие связанные между собой приложения, реализующие все этапы разработки цифровых устройств на ПЛИС фирмы ALTERA:
1) Graphic Editor - графический редактор, предназначен для ввода проекта в виде схемы соединений символов элементов, извлекаемых из стандартных библиотек пакета либо из библиотеки пользователя.
2) Symbol Editor - символьный редактор позволяет редактировать существующие символы и создавать новые. Любой откомпилированный проект может быть свёрнут в символ, помещён в библиотеку символов и использован как элемент в любом другом проекте.
3) Text Editor - текстовый редактор является инструментом для создания текстовых файлов проекта на языках описания аппаратуры: AHDL (.tdj), VHDL (.vhd), Verilog HDL (.v). В этом текстовом редакторе можно работать также с произвольным файлом формата ASCII.
4) Waveform Editor - редактор временных диаграмм (сигнальный редактор), который выполняет двойную функцию: на этапе ввода обеспечивает ввод логики проекта в виде диаграмм (эпюр) состояний входов и выходов, а на этапе моделирования обеспечивает ввод диаграмм тестовых (эталонных) входных состояний моделируемого устройства и задание перечня тестируемых выходов.
5) Floorplan Editor - редактор связей, позволяет на плане расположения основных логических элементов вручную распределять выводы ПЛИС (закреплять выводы за конкретными входными и выходными сигналами) и перераспределять внутренние ресурсы ПЛИ.
6) Timing Analyzer - приложение, обеспечивающее расчет временных задержек от каждого входа до каждого логически связанного с ним выхода.