Лекция 1. Определение плис. Области применения современных плис. История развития. Заказные и полузаказные микросхемы.

ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема) в самом общем виде может быть определена как ИС высокой степени интеграции, у которой выполняемая логическая функция программируется уже после изготовления. Программирование осуществляется за счет задания соединений между элементами (вентилями) ПЛИС.

Вентиль - элементарное цифровое устройство. Получили свое название из-за выполняемой ими функции, состоящей в том, чтобы пропускать или задерживать поток цифровой информации. Вентиль имеет один или большее число входов и вырабатывает выходной сигнал, который зависит от значения (-ий) сигнала (-ов) на входе в данный момент времени.

Примеры вентилей: «И», «ИЛИ», «НЕ»

Области применения ПЛИС

Первые ПЛИС появились в середине 80-x годов. В то время они использовались преимущественно для создания связующей логики (т.е. для вспомогательных и соединительных цепей), для реализации конечных автоматов средней сложности и для решения некоторых задач обработки данных. По мере усложнения и увеличения размеров ПЛИС начинают пользоваться большим спросом.

B начале 90-х прошлого века самый большой объем продаж отмечался в области сетей и телекоммуникаций, в которых предусматривались обработка и передача больших потоков инфopмации. К концу 90-х ПЛИС, использовались для создания прототипов заказных микросхем или для создания испытательных стендов, на которых проверяется физическая реализуемость новых алгоритмов.

К началу второго тысячелетия появились высокопроизводитель­ные ПЛИС, которые содержат миллионы вентилей. Некоторые из них содержат встроенные микропроцессорные ядра, высокоскоростные интерфейсы ввода/вывода и другие устройства.

В настоящее время ПЛИС заполняют несколько крупных сегмента рынка: заказные интегральные схемы, цифро­вая обработка сигналов, системы на основе встраиваемых микроконт­роллеров. Кроме того, с появлением ПЛИС возник новый сектор рынка — системы с перестраиваемой архитектурой, или reconfigurable computing (RC).

Создание прототипов заказных интегральных схем. Как уже отмечалось, современ­ные ПЛИС используются для создания устройств такого уров­ня, который до этого могли обеспечить только заказные микро­схемы. Цены на ПЛИС неуклонно падают, и потому ПЛИС все чаще используются не только для создания прототипов заказных ИС, но и как их альтернатива, таким образом вытесняя заказные ИС с традиционных секторов рынка.

Цифровая обработка сигналов. Высокоскоростная цифровая об­работка сигналов традиционно производилась с помощью спе­циально разработанных микропроцессоров, называемых цифро­вые сигнальные процессоры (ЦСП) или digital signal processors (DSP). Однако современные ПЛИС содержат встроенные умно­жители, схемы арифметического переноса и большой объем оперативной памяти внутри кристалла. Все это в сочетании с высокой степенью параллелизма ПЛИС обеспечивает превос­ходство ПЛИС над самыми быстрыми сигнальными процессо­рами в 500 и более раз.

Встраиваемые микроконтроллеры. Несложные задачи управле­ния обычно выполняются встраиваемыми микроконтроллера­ми. Эти недорогие устройства содержат встроенную программу, память команд, таймеры, интерфейсы ввода/вывода, располо­женные рядом с ядром на одном кристалле. Цены на ПЛИС па­дают, к тому же, даже самые простые из них можно использо­вать для реализации программного микропроцессорного ядра с необходимыми функциями ввода/вывода. В результате ПЛИС становятся все более привлекательными устройствами для реа­лизации функций микроконтроллеров.

Системы с перестраиваемой архитектурой. Представляют собой динамически или статически перепрограммируемые структуры на ПЛИС, позволяющие «приспособиться» к выполняемым в текущий момент времени арифметическим или логическим операциям. В настоящее время различные компании заняты созданием огромных перенастраиваемых вычислительных ма­шин на основе ПЛИС. Такие системы могут использоваться для выполнения широкого спектра задач — от моделирования аппа­ратуры до криптографического анализа или создания новых ле­карств. Например, компания National Instruments предлагает технологию реконфигурируемого ввода/вывода National Instruments (reconfigurable input/output – RIO). NI RIO предоставляет разработчикам приложений в LabVIEW возможность разработки своих собственных аппаратных контрольно-измерительных схем, используя программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) и графическую среду программирования LabVIEW. Реконфигурируемые устройства National Instruments содержат в своем составе ПЛИС, логика работы которой определяется на аппаратном уровне с помощью программного модуля LabVIEW FPGA Module.

История развития ПЛИС

Исторически первыми (конец 70-х годов 20в) программируемыми логическими устройствами были программируемые логические матрицы (ПЛМ). ПЛМ представляли собой двухуровневую структуру, состоящую из вентилей И и ИЛИ, с программируемыми пользователем соединениями. Соединения программировались путем пережигания плавких перемычек. (Перемычка пережигается путем ее выбора с помощью сигналов на линиях адреса и линиях данных этой микросхемы с последующей подачей высоковольтного импульса (10—30 В) на специальный вход устройства). Пример ПЛМ приведен на рисунке 1.1:

Рисунок 1.1 – Программируемая логическая матрица 4х3 с 6-ю термами-произведениями.

Развитие и усовершенствование ПЛМ велось в нескольких направлениях:

- создание перепрограммируемых ПЛИС с ультрафиолетовым или электрическим стиранием записанных логических функций (СПЛИС - EPLD и ЭСПЛИС - EEPLD), использующие технологию перепрограммируемых ППЗУ на МДП-транзисторах с плавающим затвором и МНОП-транзисторах (металл-нитрид-окисел-полупроводник).

Стираемые программируемые ПЗУ (erasable рrоgrаттаble rеаd-оnlу тетоry) похожи на РRОМ, но их содержимое можно «стереть» путем облучения ультрафиолетовым светом, или электрически. В ЕРRОМ применяет технология «МОП-транзисторы с плавающим затвором».

В ЕРRОМ в месте хранения каждого бита имеется МОП-транзистор с плавающим затвором. У каждого транзистора есть два затвора. «Плавающий» затвор никуда не подключен и окружен изоляционным материалом с очень малой проводимостью. При программировании ЕРRОМ с помощью программатора на неплавающий затвор в месте хранения бита, значение которого должно быть равно 0, подается высокое напряжение. Это вызывает временный пробой слоя изоляции и приводит к накоплению отрицательного заряда в плавающем затворе. Затем высокое напряжение снимается, а отрицательный заряд остается. В дальнейшем при выполнении операции чтения отрицательный заряд не позволяет выбранному МОП-транзистору включаться.

Рисунок 1.2 – МОП-транзистор с плавающим затвором

Содержимое памяти ЕРRОМ можно стереть. Изоляционный материал вокруг плавающего затвора при облучении его ультрафиолетовым светом определенной длины волны в течение времени порядка 5-20 минут становится проводящим. Обыч­но кристалл ЕРRОМ располагается в корпусе с кварцевым окошком, через которое его можно засветить, чтобы стереть записанную в нем информацию.

В настоящее время ЕРRОМ с УФ-стиранием вытеснены электрически стираемыми программируемыми ПЗУ (electrically erasable programmable read-only memorу, ЕЕРRОМ). Ранее записанные биты в них можно стереть электрически. Плавающие зат­воры транзисторов в ЕЕРRОМ окружены гораздо более тонким изолирующим слоем, и имеющиеся на них заряды можно удалить, прикладывая к неплавающе­му затвору напряжение, полярность которого противоположна полярности напря­жения, в результате подачи которого происходит накопление заряда. Большие ЕЕРRОМ (емкостью 1 Мбит и больше) позволяют за одну операцию стирать информацию только блоками фиксированного размера. Память такого типа обычно называется флэш-па­мятью (flash тетоrу, flash ЕРRОМ), поскольку стирание данных группами про­исходит «мгновенно» (in a flash).

- наращивание логических ресурсов (входов-выходов и вентилей).

- добавление элементов с памятью (объединение выходного ИЛИ и триггера в макроячейку).

Прототипом современных ПЛИС архитектуры CPLD стали так называемые программируемые логические устройства решетчатой структуры (ПЛУ, programmable logic devices, PLDs), усовершенствованные по всем трем перечисленным выше направлениям.

Архитектуры ПЛИС FPGA и CPLD.

ИС типа CPLD представляет собой совокупность нескольких ПЛУ со структурой соединений между ними, размещенной на том же кристалле. Как ПЛУ, так и структура соединений в микросхеме являются программируемыми. ИС типа CPLD можно расширить до больших размеров путем увеличения числа ПЛУ и развития структуры соединений между ними.

Примерно в то же время, когда были созданы CPLD, были выпущены ПЛИС другого типа – «решетки вентилей, программируемые в процессе эксплуатации» (field-programmable gates arrays, FPGA). FPGA содержат много большее число меньших по размерам отдельных логических блоков и имеют развитую распределенную структуру внутренних соединений, которая занимает почти весь кристалл. На рисунке 1.3 показано различие между этими двумя конструкциями ПЛИС:

а)	б)
Рисунок 1.3 – ПЛИС архитектуры CPLD (а) и FPGA(б)

Фирма Xilinx выпускает семейства ПЛИС XC9500 и CoolRunner по архитектуре CPLD и семейства ПЛИС Virtex и Spartan по архитектуре FPGA.

Существует несколько крупнейших производителей ПЛИС:

Xilinx

Altera

Actel

Lattice

Atmel

И др.

3 Отдельное направление развития интегральных микросхем – так называемые заказные микросхемы (ASIC – application specific integrated cirquit) и полузаказные микросхемы.

Заказная микросхема - разрабатывается на основе стандартных и (или) специально созданных элементов узлов по функциональной схеме заказчика.

Полузаказная микросхема - микросхема, разработанная на основе базовых кристаллов (в том числе матричных).

Базовые матричные кристаллы (БМК) появились в середине 70-х годов как альтернатива полностью заказным ИС и ознаменовали собой новый подход к проектированию специализированных БИС и СБИС. Их стали называть полузаказными БИС и СБИС.

БМК (англоязычный термины gate array и ULA, Uncommited Logic Array) — это набор регулярно расположенных элементов (базовых ячеек), которые могут соединяться между собой для образования различных электронных схем.

В отличие от ПЛИС БМК программируется технологически, путём нанесения маски соединений последнего слоя металлизации. БМК с маской заказчика обычно изготавливались на заказ небольшими сериями.

Достоинство БМК состоит в следующем. Разработчику необходимо применить оригинальные схемные решения на основе БИС, но существующие БИС для этих целей не подходят. Разрабатывать с нуля и производить очень долго, неэффективно и дорого. Выход — использовать базовые матричные кристаллы, которые уже разработаны и изготовлены. Базовый матричный кристалл напоминает библиотеку подпрограмм и функций для языков программирования. На нём разведены, но не соединены элементарные цепи и логические элементы. Заказчиком разрабатывается схема соединений, так называемая маска. Эта маска наносится в качестве последнего слоя на базовый матричный кристалл и элементарные схемы и разрозненные цепи на БМК складываются в одну большую схему. В итоге заказчик получает готовую БИС, которая получается ненамного дороже исходного БМК.

Основное применение БМК — средства вычислительной техники, системы управления технологическими процессами. В настоящее время БМК в большинстве применений вытеснены ПЛИС, не требующими заводского производственного процесса для программирования и допускающими перепрограммирование.

В России базовые матричные кристаллы производятся ОАО «Ангстрем».