Программируемые цифровые устройства – микропроцессоры и плис. Их характерные особенности и отличия.
Одна из проблем, стоящих перед создателями новых вычислительных платформ – поиск компромисса между скоростью и универсальностью. Микропроцессоры общего назначения способны исполнить любой алгоритм. Однако по скорости их нельзя сравнить с заказными интегральными схемами, предназначенными для конкретных приложений (ASIC), реализующих те и только те функции, которые необходимы для решения вполне конкретной задачи. При должной настройке ASIC на данную проблему можно получить микросхему, которая будет значительно меньше, дешевле и быстрее, чем универсальный программируемый микpопpоцессоp.
Есть и третий вариант ПЛИС, т. е. такие аппаратные схемы, которые могут быть модифицированы практически в любой момент в процессе их использования. Они состоят из конфигурируемых логических блоков, подобных переключателям с множеством входов и одним выходом. В цифровых схемах такие переключатели реализуют базовые двоичные операции AND, NAND, OR, NOR и XOR. В большинстве современных микропроцессоров функции логических блоков фиксированы и не могут модифицироваться.
Принципиальное отличие ПЛИС состоит в том, что и функции блоков, и конфигурация соединений между ними могут меняться с помощью специальных сигналов, посылаемых схеме. В некоторых ASIC-микросхемах используются логические матрицы (так называемые Базовые Матричные Кристаллы — БМК), аналогичные ПЛИС по структуре, однако они конфигурируются раз и навсегда в процессе производства путем «прожига», в то время как ПЛИС могут постоянно перепрограммироваться и менять топологию соединений в процессе использования.
Память конфигурации плис, питание современных плис.
Кроме использования ПЗУ, ПЛИС можно конфигурировать с использованием контроллера системы, в которой применена ПЛИС. В табл. приведены возможные режимы конфигурации ПЛИС.
-
Режим конфигурации
Применение
Passive Serial (PS) Пассивный последовательный
Конфигурация по последовательному синхронному порту микропроцессора (МП) или устройству ByteBlaster, BitBlaster, MasterBlaster
Passive Parallel Synchronous (PPS) Пассивный параллельный синхронный
Конфигурация по параллельному синхронному порту МП
Passive Parallel Asynchronous (PPA) Пассивный параллельный асинхронный
Конфигурация по параллельному асинхронному порту МП. МП адресует ПЛИС как память
Passive Serial Asynchronous (PSA) Пассивный последовательный асинхронный
Конфигурация по последовательному асинхронному порту микропроцессора (МП)
JTAG
Используется стандарт IEE Std. 1149.1
Основная функция системы управления питанием ПЛИС обеспечить ПЛИС и сопряженные с ней схемы стабилизированным напряжением во всех режимах работы в точно установленных пределах изменения нагрузки. Необходимо учитывать следующие факторы: изменение температуры окружающей среды и тока нагрузки, флуктуацию входного напряжения. По потребляемой мощности ПЛИС значительно отличаются от других интегральных схем.
На ПЛИС реализуется неограниченное число всевозможных конфигураций схемы, работающих на разных тактовых частотах и, следовательно, потребляющих разную мощность. Для проектирования ПЛИС необходимо определить:
тактовую частоту ПЛИС (потребляемая мощность пропорциональна частоте);
количество задействованных ресурсов ПЛИС;
скорость передачи данных, осуществляемых ПЛИС;
наличие конфигурационного перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ);
число необходимых питающих напряжений и отдельных источников питания;
диапазон рабочих температур.
Д
ля
построения оптимальной системы питания
ПЛИС надо правильно спроектировать
топологию печатной платы и заземление
всей системы и ограничить параметры
переходного процесса при включении
питания.
Для этого:
обеспечить ток (1–2 А) при включении питания,
обеспечить монотонность протекания переходного процесса по напряжению питания,
время протекания переходного процесса до номинального значения напряжения не должно быть больше определенной величины,
максимально снизить уровень высокочастотного шума
Для этого необходимы:
раздельные шины питания для различных основных потребителей тока,
установка достаточного количества шунтирующих конденсаторов,
корректная разводка печатной платы.
Рис. 1. Блок-схема системы питания ПЛИС
В целом структурная схема системы питания ПЛИС (рис. 1) состоит из первичного источника питания, формирующего входное напряжение (Vin) для стабилизатора напряжения, который устанавливает последовательность подачи различных напряжений. Супервизор следит за уровнями напряжений. Цепочка шунтирующих конденсаторов вокруг ПЛИС распределяет рабочий ток между потребителями и снижает уровень высокочастотного шума. Уровни питающих напряжений ПЛИС
Для питания разных функциональных блоков ПЛИС используются различные уровни напряжения.
Все ПЛИС нуждаются в источнике напряжения питания ядра, в отдельном источнике напряжения питания для блоков ввода-вывода, источнике опорных напряжений, источнике напряжения для терминальных резисторов и источнике напряжения для дополнительных функций.
Типы напряжения питания, необходимые для ПЛИС (Xilinx):
VCCINT. Внешнее напряжение питания ядра. Является основным питающим напряжением ПЛИС и обеспечивает большую часть мощности, затрачиваемой в ПЛИС. Основное напряжение источника зависит от семейства ПЛИС (1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,3 и 5,0 В). Напряжение питания ядра может использоваться и для питания конфигурационного ППЗУ.
VCCO. Напряжение питания блоков ввода-вывода ПЛИС (1,5; 1,8; 2,5; 3,0 и 3,3 В).
VCCAUX. Вспомогательное напряжение питания, необходимое для различных вспомогательных функций ПЛИС (устройства управления тактовой частотой или интерфейсом JTAG) - 2,5 и 3,3 В.
VREF. Опорное напряжение питания необходимо для дифференциального порта, использующего различные стандарты ввода-вывод.
VTT. Напряжение питания терминальных резисторов.