МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Ш. С. ФАХМИ Ю. М. СОКОЛОВ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТРОЙСТВ

С ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКОЙ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2019

1

УДК 621.391.8 (07)

ББК З 811.3я7 + З 844.15я7 Ф29

Фахми Ш. С., Соколов Ю. М.

Ф29 Математическое и программное обеспечение устройств с программируемой логикой: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 115 с.

ISBN 978-5-7629-2499-3

Рассмотрены вопросы математического и программного обеспечения устройствобработкисигналовнабезетехнологии«системанакристалле».Подробно рассмотрены программируемые логические интегральные схемы, маршруты проектированиясистем на кристалле ипримерыпрограммнаязыке аппаратуры.

Предназначено для студентов всех форм обучения по направлению «Информатикаивычислительнаятехника»,можетбытьполезностудентамдругих направленийиспециалистам,занимающимсяразработкойиавтоматизированным проектированием цифровых устройств различного назначения.

УДК 621.391.8 (07)

ББК З 811.3я7 + З 844.15я7

Рецензенты: кафедра информационных систем и вычислительной техникиСПБГУ «Горный»(д-р. техн. наук, проф.ИвановаИ. И.); канд. техн. наук Е. В. Костикова (ФГБОУ ВО «ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова»)

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

ВВЕДЕНИЕ

Первые программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), т. е. интегральные микросхемы, содержащие многократно программируемые мас- сивылогики,появилисьв1980-хгг.иприменялисьвсоставемикропроцессор- ных систем для замены стандартной логики, выполнявшей вспомогательные функции. Микропроцессорная техника в это время доминировала, поскольку для нее был найденясныйинженерныйподход кпроектированиюсистем. Разработчики быстро освоили магистрально-модульную структуру аппаратных средств на основе ведущего микропроцессора и подчиненных ему интерфейсных микросхем. Создание прикладных программ осуществлялось известными методами и средствами, использовались ранее накопленные знания. Затруднения существовали на этапе комплексной отладки аппаратуры и программного обеспечения в реальном масштабе времени, но они были преодолены созданием метода внутрисхемной эмуляции и комплексов инструментальных средств на основе эмуляторов. Появление персональных компьютеров дало дополнительное ускорение процессу обучения специалистов интегрированным методам проектирования аппаратуры и программ.

Основные трудности при развитии идеи ПЛИС как идеи свободного проектированияиизготовленияразработчикомпроизвольногоцифровогоустройствазаключалисьвневозможностииспользованияпростогоинженерногоподхода и необходимости создания новых математических методов синтеза цифровых структур в некотором элементном базисе на основе описания целевой логической функции. Требовалось во взаимосвязи решить задачи [1], [2]:

•определения элементного базиса ПЛИС – достаточно развитого, чтобы реализовать необходимые функции целевых устройств, и достаточно простого, чтобы время расчетов на персональном компьютере или рабочей станции не было чрезмерным;

•разработки математических методов синтеза устройств в выбранном базисе, декомпозиция, компиляция, межэлементная трассировка, функционального моделирования и временного анализа;

•создание интегрированной системы проектирования цифровых устройств на ПЛИС.

Задача учебного пособия – помочь студентам в освоении современных математических методов обработки сигналов и подходов к проектированию цифровых устройств, ориентированных на широкое применение в них новой

3

элементной базы – системы на кристалле (СнК) с реконфигурируемой структурой. При этом большое внимание уделяется освоению принципов и средств аппаратно-программного проектирования с использованием современных системавтоматизированногопроектирования(САПР)иинструментов,достаточных для выполнения практических, лабораторных и курсовых работ по дисциплинам «Схемотехника», «Проектирование систем на кристалле», «Сложнофункциональные блоки СБИС» и другим, связанным с проектированием устройств с применением ПЛИС. Исследование и разработка устройств обработки сигналов базируются на использовании современных средств на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Наиболее распространенная методология проектирования цифровых устройств «от сложного к простому» включает несколько этапов [2]. В начале формулируются технические и эксплуатационные требования к верхнему уровню проектируемого устройства, а также определяется его интерфейсная модель, включающая перечень входов и выходов, временные характеристики работы устройства – его интерфейсную частоту. Далее осуществляется структурная декомпозиция устройства верхнего уровня или, другими словами, разбиение его на составляющие компоненты, выделяемые по функциональным или топологическим соображениям. Полученные структурные компоненты в свою очередь могут быть разделены на более мелкие составляющие либо реализованы операторами языка Verilog на поведенческом (алгоритмическом) уровне.

Задачаразбиенияразрабатываемогоустройстванаструктурныесоставляющие является довольно сложной и определяет качество и эффективность всего процесса проектирования в дальнейшем. Правильно осуществленная структурная декомпозиция позволяет значительно упростить взаимодействие участников группы разработки и свести к минимуму время, затрачиваемое на согласование отдельных частей проекта.

Следует понимать, что «на дне» любой структурной иерархии находятся операторы Verilog, описывающие алгоритм функционирования объекта проектирования.Именнопоследнееопределяетосновноеотличиемеждуповеденческим описанием схемы и описанием процесса моделирования на базе традиционных языков программирования.

Для упрощения и систематизации процесса проектирования на этапе системного уровня проектирования осуществляется создание физического виртуального прототипа. Физический виртуальный прототип микросхемы – это

4

оценочная модель и предварительный топологический план кристалла микросхемы. Физический виртуальный прототип разрабатывается одновременно с функциональной моделью.

Развитие коммуникационных технологий привело к новому импульсу развития технологии ПЛИС. Именно здесь, на больших потоках и предельных скоростяхобработкиинформациисталипроявлятьсяпринципиальныеограничениямикропроцессоров,связанныесизбыточностьюихархитектуры.Всвою очередь микросхемы ПЛИС позволяют реализовать специализированную структуру, поэтому при одинаковой тактовой частоте реализованное устройство имеет существенное преимущество в быстродействии. С этой особенностьюсвязанаидругаябыстроразвивающаясяобластьпримененияПЛИС– реализация функций цифровой обработки видеоинформации [3], [4].

При схемотехническом проектировании на нижнем уровне структурной иерархии находится модель устройства, представленная в виде структурной схемы, включающей логические вентили, триггеры, регистры, мультиплексоры и другие стандартные цифровые устройства. Как уже отмечалось, задача разбиения разрабатываемого устройства на структурные составляющие являетсядовольносложнойиопределяеткачествоиэффективностьвсегопроцесса проектирования в дальнейшем.

Впособии основное внимание уделено вопросам:

1.Основные методы и алгоритмы обработки сигналов, в частности кодирование и декодирование видеоинформации.

2.Моделированиецифровыхустройствиполучениевременныхдиаграмм функционирования с использованием языков аппартуры Verilog/VHDL.

3.Аппаратно-программное проектирование ПЛИС с использованием современных САПР систем на кристалле.

Предполагается, что студенты имеют элементарное представление о любом структурированном языке программирования высокого уровня (например, С/С++) и некоторый опыт в логическом проектировании аппаратуры на основе микросхем малой степени интеграции, а также знание элементных баз цифровых микросхем.

Впособии придается бо́льшее значение особенностям языка моделирования цифровых устройств, которые облегчают моделирование аппаратуры, чем процессу конструирования самих моделей проектируемых устройств. Для иллюстрации возможностей языков VHDL/Verilog рассматриваются подробные примеры. Менее подробно рассматриваются особенности языка, которые допускают представление произвольных абстрактных данных.

5

Объект проектирования представляет собой описание компоненты проекта, имеющей четко заданные входы и выходы и выполняющей строго определенную функцию. Объект проекта может представлять собой проектируемую систему в целом, некоторую подсистему, отдельное устройство, узел, стойку, плату, кристалл, макроячейку, логический элемент и т. п. В описании объекта проекта можно использовать компоненты, которые в свою очередь могут быть описаны как самостоятельные объекты проекта более низкого уровня. Таким образом, каждый компонент объекта проекта может быть связан с объектом проекта более низкого уровня. В результате такой декомпозиции объекта проектирования пользователь строит иерархию объектов проектирования, представляющих весь проект в целом. Эта иерархия состоит из нескольких уровней абстракций. Такая совокупность объектов проектирования называетсяиерархиейпроекта.Каждыйобъектпроектасостоит,какминимум, из двух различных типов описаний: описания интерфейса и одного или более архитектурных тел.

Проектирование – комплекс работ, целью которого является получение технической документации, позволяющей реализовать или изготовить новый или модернизируемый объект с заданными свойствами и заданным функционированием при заданных условиях.

Стратегия проектирования – функциональная композиция. Для системы в целом и ее блоков разрабатывается функциональная спецификация, включающаявнешнееописаниеблока(входыивыходы)ивнутреннееописаниефункций или алгоритм функционирования.

HDL-программа может рассматриваться как знаковая модель дискретного устройства. Знаковыми моделями называют способы представления реальных или проектируемых объектов, которые не имеют физического или геометрического подобия с объектами моделирования, а отражают лишь существенные свойства объектов с использованием принятых формальных обозначений.

Языковое описание устройства представляет собой текст, сохраняемый в некотором файле или нескольких файлах, которые в совокупности составляют представление разработчика о проекте. Это описание используется на всехпоследующих этапах проектирования, в том числе при синтезе устройства и его моделировании. Тексты описаний на большинстве языков проектирования дискретных устройств по составу синтаксических конструкций и интерпретации результатов их исполнения (физического или модельного) очень схожи с

6