2. Обзор современных сбис pld
СБИС программируемой логики (programmable logic device - PLD) удачно дополняют и заменяют микропроцессорные средства, а в ближайшие годы станут "настольным материалом" для разработчиков сложных цифровых устройств. Использование СБИС PLD и соответствующих средств автоматизации проектирования позволяет в сжатые сроки создавать конкурентноспособные устройства и системы, удовлетворяющие жестким требованиям по производительности, энергопотреблению, надежности, массо-габаритным параметрам, стоимости.
СБИС PLD оказываются вне конкуренции в областях, где требуется создание высокопроизводительных специализированных устройств, ориентированных на аппаратную реализацию. Аппаратное решение задач обеспечивает распараллеливание процесса обработки и увеличивает производительность в десятки раз по сравнению с программным решением, а использование СБИС PLD, в отличие от специализированных СБИС, обеспечивает такую же гибкость реализации, как у любых программных решений. В последние годы динамика развития и производства СБИС PLD уступает только микросхемам памяти и превышает 50% в год.
Первым производителем СБИС PLD была фирма INTEL. В настоящее время производители СБИС PLD - фирмы Altera (34% мирового объема продаж), Xilinx (33%), Actel (9%).
Систематизация микросхем гибкой логики производится обычно по следующим классификационным признакам:
степень интеграции (логическая емкость);
архитектура функционального преобразователя;
организация внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей;
тип используемого программируемого элемента;
наличие внутренней оперативной памяти.
Степень интеграции (логическая емкость) - наиболее важная характеристика СБИС PLD, по которой осуществляется выбор микросхемы. Логическую емкость измеряют в эквивалентных логических вентилях типа 2И-НЕ (2ИЛИ-НЕ), которые понадобилось бы для реализации устройств той же сложности, что и на соответствующих СБИС.
Максимальная логическая емкость достигнута в настоящее время в СБИС PLD, выпускаемых фирмой Altera (семейства FLEX10K), и составляет 250000 логических вентилей.
Функциональные преобразователи, иначе говоря макроячейки, СБИС PLD включают в себя настраиваемые средства реализации логических функций и триггер, т.е. являются простым конечным автоматом.
Организация внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей - основной отличительный признак различных СБИС PLD. Большинство фирм выпускает сложные СБИС ПЛ, располагая функциональные преобразователи в горизонтальных рядах и вертикальных столбцах в виде квадратной матрицы на площади кристалла, тогда как связи между преобразователями выполняются в виде проводников, разделенных на отдельные участки (сегменты) электронными ключами. Такая одноуровневая структура получила название FPGA (Field Programmable Gate Array). Иерархическая (многоуровневая) организация СБИС PLD позволяет улучшить их технические характеристики. При многоуровневой организации функциональные преобразователи (макроячейки) группируются в блоки (например, в СБИС семейств FLEX10K фирмы Altera в логический блок входит 8 функциональных преобразователей), имеющие свою собственную локальную шину межсоединений. Блоки обмениваются сигналами друг с другом через шины межсоединений верхнего уровня. Проводники межсоединений изготавливаются непрерывными (т.е. без разделения на сегменты электронными ключами), что обеспечивает малые задержки распространения сигналов и позволяет существенно сократить количество электронных ключей. Кроме того, непрерывные линии межсоединений обеспечивают возможность взаимной замены логических блоков без изменения временной модели устройства, что существенно ускоряет процедуру размещения проекта на кристалле и упрощает временное моделирование.
Тип используемого программируемого элемента - электронного ключа, определяет возможности СБИС PLD по программированию, перепрограммированию и хранению конфигурации при отключении питания. Наиболее перспективны программируемые элементы, выполненные по EPROM и FLASH технологии (полевые транзисторы с плавающим затвором), обеспечивающие энергонезависимое хранение конфигурации и многократное перепрограммирование (в том числе и распаянной микросхемы непосредственно на плате), и элементы, выполненные по SRAM технологии, т.е. представляющие собой электронный ключ и триггер оперативной памяти, в который при включении питания должна быть записана конфигурирующая информация. SRAM - технология обеспечивает меньшее энергопотребление и позволяет реконфигурировать СБИС PLD за десятки миллисекунд, обеспечивая исходную загрузку конфигурирующей памяти и, при необходимости, реконфигурирование для адаптации структуры реализуемого устройства.
Наличие внутренней оперативной памяти дает пользователю СБИС PLD дополнительные возможности при разработке цифровых систем. СБИС ПЛ с внутренней памятью выпускаются фирмами Altera (семейства FLEX10K), Atmel (семейство AT40K), Xilinx (семейства XC4000). Организация внутренней памяти в СБИС PLD различных производителей различна. В семействе FLEX10K фирмы Altera - это крупные выделенные модули памяти объемом 2 Кбит, в СБИС других производителей - распределенные по кристаллу небольшие блоки.
В настоящее время фирма ALTERA выпускает семь семейств СБИС ПЛ: классические PLD (Classic EPLD Family), MAX500, MAX7000, MAX7000A, MAX9000, FLEXLOGIC.
Возможности СБИС PLD фирмы ALTERA чрезвычайно широки и удовлетворяют различным требованиям разработчиков цифровых устройств. Например, семейства FLEX (SRAM технология конфигурирующих элементов) выпускаются в корпусах с числом выводов до 600, требуют загрузки конфигурации каждый раз при включении питания или при необходимости внесения изменений в функционирование СБИС, но обладают существенно большей логической емкостью по сравнению с энергонезависимыми семействами MAX и меньшим энергопотреблением на функциональный преобразователь. Семейства MAX могут обеспечить задержку сигнала до 5 нс., в то время как у семейств FLEX эта задержка не менее 8 нс.
Для разработки цифровых устройств на СБИС PLD фирма Altera предоставляет пользователям функционально полный пакет проектирования MAX+PLUS II. Этот программный продукт может быть установлен на персональную ЭВМ с объемом ОЗУ 32 МB или на рабочую станцию. Пакет имеет модульную структуру и в объеме, необходимом для реализации полного цикла проектирования.
Программирование микросхем осуществляется с помощью персонального компьютера на базе процессора i486 или iPentium с использованием программы MAX+PLUS II, платы логического программирования фирмы Altera, модуля программирования MPU (Master Programming Unit) и специального адаптера. MPU проверяет непрерывность процесса программирования, необходимого для обеспечения соответствующих электрических соединений между адаптером и устройством. Программа MAX+PLUS II позволяет описывать проект на языках HDL, производить трансляцию, логический синтез, проверку и программирование, а так же временной анализ. Для дополнительной проверки устройства, разработчики могут выполнить функциональное тестирование для сравнения результатов работы PLD с результатами компьютерной эмуляции работы. Эта возможность (функциональное тестирование) присутствует в адаптерах с префиксом PLM.
СБИС PLD фирмы ALTERA доступны в широком диапазоне корпусов: CerDIP-плоский корпус с двухрядным расположением выводов, PDFP, PLCC, PGA и SOIC-малогобаритный корпус ИС.
Все устройства изготовлены по КМОП технологии, кроме того элементы имеют "Турбо версию" (Turbo version), а так же полностью эмулируют ТТЛ – логику, и могут объединять множество программируемых матричных логических схем с большим числом логических элементов, которое зависит от серии и вида микросхемы. Наименьшая задержка сигнала на логическом элементе равна 10 нс., а наибольшая 25 нс., разброс частоты синхронизации от 50 до 170 МГц. Изготовленные по принципам программируемых ПЗУ, все устройства могут уменьшать активную потребляемую мощность без снижения эффективности.
"Турбо версия" или работа в Турбо режиме осуществляется специальным программируемым битом, называемый Turbo Bit™, который предназначен для автоматического управления питанием, что дает резкое снижение потребляемой мощности в режиме ожидания. Когда опция Turbo Bit включена, режим низкой потребляемой мощности отключен. Все характеристики готовых к эксплуатации устройств рекомендуется проверять с включенной опцией Turbo Bit. Если при проектировке планируется работа устройства с отключенным параметром Turbo Bit, то некоторая величина должна быть добавлена к соответствующему эксплутационному параметрам для корректного осуществления.
Все PLD фирмы Altera содержат программируемый бит безопасности, который управляет доступом программирующей информации в устройство. После установки бита в процессе программирования разработка, внедренная в устройство, не может быть скопирована либо изменена. Эта особенность обеспечивает высокую безопасность частных проектов, т.к. информация, запрограммированная внутри ячеек EPROM, невидима. Бит безопасности сбрасывается только тогда, когда все устройство будет полностью стерто.