универсальный лабораторный стенд, содержащий ПЛИС

FPGA XCS10-3PC84 фирмы XILINX, 8-ми разрядный микрокон-

троллер семейства MCS-51 PCF80С552 фирмы PHILIPS, память и органы управления и индикации.

В лабораторном практикуме по курсу «Схемотехника ЭВМ» используется только часть оборудования стенда, а именно: ПЛИС FPGA XCS10-3PC84, клавишные регистры, генераторы и индикация.

Разработка цифровых схем на ПЛИС невозможна без применения систем автоматизированного проектирования (САПР). Особо значимыми становятся процедуры отладки и верификации проектных решений. Понимание единых общепризнанных средств описаний, создаваемых автоматизированными средствами проектирования, необходимо для современного квалифицированного разработчика.

Тщательное изучение возможностей и особенностей работы вспомогательного оборудования стенда и САПР имеет принципиальное значение для успешного выполнения лабораторного практикума в целом. Недостаточное знание инструментальных средств проектирования, используемых в практикуме, может привести к значительным затратам времени при выполнении лабораторных работ и, в конечном итоге, к неудаче в работе.

НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛИС

Микросхемы программируемой логики или ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) — одно из наиболее динамично развивающихся направлений современной цифровой электроники. Привлекательность данной технологии заключается в предоставляемой конечному пользователю возможности быстрого создания цифровых устройств с произвольной внутренней структурой. По сравнению со специализированными цифровыми микро-

схемами (Application Specific Integral Circuit, ASIC), цикл разработ-

ки устройств на ПЛИС занимает значительно меньшее время и неизмеримо дешевле (благодаря тому, что изменение принципиальной электрической схемы выполняется путем перепрограммирования одного и того же экземпляра микросхемы). Таким образом,

5

вместо металлических соединений, реализуемых в процессе производства ASIC, в ПЛИС используются соединения, коммутируемые программируемыми ключами. Для задания этих соединений в ПЛИС существует теневая (конфигурационная) память, хранящая таблицу соединений.

В настоящее время наиболее распространенные серии ПЛИС имеют следующую архитектуру:

CPLD (Complex Programmable Logic Device) — устройства,

использующие для хранения конфигурации энергонезависимую память (Flash или EEPROM);

FPGA (Field Programmable Gate Array) — устройства, ис-

пользующие для хранения конфигурации энергозависимую память, которая требует инициализации после включения питания.

Поскольку универсальный лабораторный стенд содержит ПЛИС FPGA, то ниже рассматривается только этот тип микросхем программируемой логики.

Интегральные схемы типа FPGA

В наиболее типичном варианте ПЛИС, выполненная по технологии FPGA, состоит из прямоугольной матрицы конфигурируе-

мых логических блоков (Configurable Logic Blocks, CLB), окруженной блоками ввода-вывода (Input/Output Block, IOB). Между CLB

располагаются программируемые трассировочные линии (рис. 1.1). Между матрицей CLB и блоками ввода-вывода имеются отдельные межсоединения, которые и обеспечивают подключение внешних сигналов.

6

ный кабель для загрузки конфигурационных данных. Этот кабель соединяет персональный компьютер с микросхемой FPGA. В конечном устройстве отлаженные данные конфигурации хранятся в ПЗУ, которое непосредственно подключается к ПЛИС FPGA, и после включения питания они автоматически загружаются в ПЛИС. Процесс конфигурирования может производиться неограниченное число раз.

Для более детальной иллюстрации архитектуры ПЛИС FPGA рассмотрим используемую в лабораторном стенде микросхему XCS10-3PC84 популярного семейства Spartan фирмы Xilinx. В табл. 1.1 приведены данные этой микросхемы.

Перестраиваемый логический блок

Основным элементом ПЛИС FPGA фирмы Xilinx является конфигурируемый логический блок (CLB). На рис. 1.2 показана упрощенная внутренняя структура логического блока ПЛИС семейства

Spartan.

8