Программируемая логика

Основные этапы развития программируемой логики:

1. БМК, ASICS

2. ПЛИС – FPGA (Field Programmable Gate Array)

CPLD (Complex Programmable Logic Devices)

БМК (Базовый Матричный Кристалл)

Электрическая принципиальная схема строится в схемотехническом редакторе. После этого средства синтеза формируют конфигурационную последовательность, которая задает связи внутри кристалла. Далее файл отправляется на завод-изготовитель микросхемы. Данные из файла используются для металлизации последнего слоя кристалла. Т.о., программирование – аппаратное.

Недостаток – перепрограммирование возможно только на заводе-изготовителе микросхемы.

CPLD (Complex Programmable Logic Devices)

Эти схемы строятся на основе энергонезависимой памяти (flash-память). Достоинством этой технологии является то, что конфигурационная последовательность хранится в памяти после выключения питания микросхемы.

Недостатки: низкое быстродействие и низкая логическая емкость.

FPGA (Field Programmable Gate Array)

В их основе лежит энергозависимая память, т.е. после выключения питания конфигурационная последовательность удаляется.

Схема загрузки конфигурационной последовательности в FPGA показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема загрузки программы в FPGA

Конфигурационная последовательность через интерфейс JTAG загружается в ПЗУ (энергонезависимая память). При включении питания последовательность из ПЗУ загружается в FPGA.

Преимущества FPGA:

1 – большая интегральная емкость;

2 – высокое быстродействие.

Фактически конфигурационная последовательность программирует связи между вентилями, т.е. между транзисторами.

Область применения ПЛИС – это задачи, для которых недостаточно быстродействия микроконтроллеров, микропроцессоров и цифровых сигнальных процессоров. Как правило, это задачи реального времени (обработка входных данных в темпе их поступления).

Упрощенная структура микросхем fpga

Микросхема FPGA состоит из следующих частей.

1. Блоки ввода/вывода – содержат входные и выходные буфера и осуществляют преобразование электрических уровней. Поддерживаемые внешние форматы: TTL, CMOS, PCI, DDR.

2. Аппаратные умножители – осуществляют умножение 18×18 бит и не предназначены для других операций. Эти умножители реализованы на уровне транзисторов. Быстродействие порядка 5 – 6 нс.

3. Блочная память предназначена для хранения данных до нескольких Мбит. Она состоит из блоков 2k×18 бит.

4. DCM (Digital Clock Manager, PLL) – это цифровой менеджер частот. Его основные функции – автоподстройка частоты, умножение и деление частоты.

5. RISC-процессор – это процессор с конвейерной архитектурой. Он входит в состав очень дорогих микросхем. Их количество может доходить до 4 – 8.

6. Массив КЛБ – это массив конфигурационно-логических блоков. КЛБ состоит из четырех секций (рисунок 2).

Рисунок 2 – Массив КЛБ

SHIFT_IN и SHIFT_OUT – это вход и выход сдвигового регистра (для каскадирования сдвиговых регистров).

C_IN и C_OUT – входной и выходной переносы (для каскадирования суммирующих устройств). С их помощью строится последовательный сумматор с параллельным переносом.