14

«МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРЧСИТЕТ

им. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

Кафедра «Электроника и автоматика»

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛИС ДЛЯ РАЗРАБОТИ УЗЛОВ ЭВС

Методические указания к курсовому проекту

по курсу «Схемотехническое проектирование ЭВС»

Автор: Опадчий Ю.Ф.

Москва 2005 г.

Содержание

Введение 3

1. Цель курсовой работы 5

2. Объем курсовой работы 5

3. Методика выполнения работы 5

   1. Стратегия проектирования 5

   2. Понятие Проекта 8

   3. Ввод проекта 9

      1. Графический ввод проекта 9

      2. Иерархическое описание проекта 10

      3. Описание проекта на уровне конечного автомата 10

   4. Верификация проекта 11

4. Содержание отчета по курсовой работе 12

5. Литература 12

Введение

Современный этап развития электроники характеризуется двумя противоречивыми тенденциями:

• С одной стороны, расширение области применения электронных средств на все сферы человеческой деятельности, усложнение алгоритмов их работы, необходимость создания аппаратуры управления разнообразными процессами и объектами, в том числе и быстро протекающими, в реальном масштабе времени, требует как увеличения номенклатуры выпускаемых изделий, так и ужесточает требования к их качественным показателям. Это в первую очередь относится к надежности, быстродействию, стоимости, массо-объемные и другим потребительским показателям аппаратуры. Реальное обеспечение всех этих требований невозможно без более тщательной проработки, как отдельных узлов, так и устройства в целом и сопряжено с увеличением времени выхода на рынок готового изделия.

• С другой стороны стремительный прогресс развития науки и техники, широкое внедрение новых процессов и технологий ведут к значительному сокращению жизненного цикла реально используемой аппаратуры. Зачастую вновь разработанная аппаратура к моменту выхода первых серийных образцов морально устаревает и требует замены.

В связи с этим особое значение приобретает время выхода на рынок новых изделий, что в свою очередь требует сокращения времени, отводимого на разработку, макетирование, испытания и организацию производства вновь разрабатываемых устройств.

Реальным способом разрешения данного противоречия является применение новых принципов проектирования, базирующихся на использовании новейшей элементной базы и средств автоматизации проектирования.

Применение при разработке электронной аппаратуры БИС и СБИС позволяет во многом решить поставленные задачи. Однако любое устройство, кроме стандартных, унифицированных содержит специализированные узлы, состав и функции которых и определяют назначение системы. Такие узлы, как правило, могут быть выполнены с применением ИС малой и средней степени интеграции, что вступает в противоречие с требованиями повышения конечного качества изделия. Разработка в этом случае специализированных СБИС (СБИС частного применения) позволяет значительно улучшить основные общетехнические показатели всего устройства в целом: повысить его надежность и быстродействие, улучшить массо-объемные показатели, снизить энергопотребление и стоимость.

Однако разработка специализированной заказной СБИС оправдана только в случае ее массового производства, так как требует больших затрат как времени, так и материальных ресурсов. В этом случае более оправдано использование полузаказных СБИС, построенных с применением так называемых полуфабрикатов к которым относятся базовые матричные кристаллы (БМК) и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

БМК представляет собой полупроводниковый кристалл на котором в определенном порядке размещены нескоммутированные активные и пассивные элементы (диоды, транзисторы и резисторы). Некоторое число этих компонент составляют единую топологическую ячейку. Такие ячейки регулярно размещаются на кристалле, образуя матрицу компонент. Отсюда еще одно название таких ИС – матричные СБИС.

С использованием одной топологической ячейки путем последующего объединения элементов металлизированными соединениями можно создать несколько логических или запоминающих элементов. Возможные варианты соединения элементов и реализуемые при этом функции объединяются в некоторую библиотеку. Топологические элементы отделяются друг от друга свободным пространствам (каналом), предназначенным для размещения линий связи (металлизации) между ними.

Процесс изготовления специализированной СБИС на основе БМК сводится к выбору из библиотеки требуемых соединений внутри топологической ячейки и соединения самих топологических ячеек между собой. То есть из требуемых обычно для изготовления СБИС 10..15 фотошаблонов разрабатывается только 2..3, что значительно сокращает срока разработки.

Как следует из сказанного, процесс изготовления специализированных СБИС на основе БМК все же требует применения дорогостоящего технологического оборудования и, поэтому, его применение оправдано только в случае, когда алгоритм работы устройства полностью отработан и требуется изготовление достаточно большого числа СБИС (среднесерийное производство).

На этапе отработка изделия и при его мелкосерийном производстве более предпочтительно использование ПЛИС. При изготовлении ПЛИС полностью реализуются связи как внутри, так и между отдельными функциональными преобразователями. Причем эти связи выполняются с использованием регулируемых коммутаторов (мультиплексоров), управление которыми осуществляется введенными в схему элементами памяти. Программируя элементы памяти можно изменять соединения компонент внутри ПЛИС и, следовательно, изменять алгоритм ее функционирования.

Таким образом, с одной стороны, потребитель получает функционально законченный элемент, для доработки которого не требуется дорогостоящее технологическое оборудование. С другой стороны, имеется возможность простыми техническими средствами направленно изменять алгоритм его работы, то есть простыми средствами решить задачу разработки специализированных СБИС.

Следует отметить, что в ПЛИС, в отличие от БМК, элементы, предназначенные для выполнения соединений, занимают, как правило, значительно большую поверхность кристалла, чем сами функциональные преобразователи. Поэтому возможность разработка такого рода устройств стала возможной только при переходе на субмикронную технологию. Только в этом случае логическая емкость ПЛИС и БМК становится сопоставимыми.

К несомненным преимуществам ПЛИС следует отнести:

• меньшую стоимость и сложность процесса допроектирования;

• возможность внесения изменений в проект на любой стадии проектирования и изготовления устройства;

• возможность перепрограммирования после распайки на плате, то есть после изготовления;

• отсутствие необходимости в сложном и дорогостоящем технологическом оборудовании.

• наличие доступных средств проектирования, тестирования и отладки (САПР).

Все это определяет повышенный интерес разработчиков к вопросам проектирования устройств с применением ПЛИС, так как позволяет кардинально решить вопрос сокращения сроков и повышения качественных показателей разрабатываемой аппаратуры.

1. Цель курсовой работы

Целью выполнения курсового проекта является закрепление теоретических знаний и получение практических навыков проектирования заказных СБИС узлов ЭВС с применением современных методов и языков описания аппаратуры (HDL – Hardware Description Languages) на примере использования ПЛИС и САПР Quartus II Web Edition Software Version 4.2. компании ALTERA Corporation. Задание на курсовое проектирование базируется на материалах выполненной студентами на четвертом курсе курсовой работе по дисциплине «Схемотехника электронных средств».

2. Объем курсовой работы

Курсовой проект включает в себя:

• Разработку и тестирование схемы цифрового автомата с использованием графического редактора, САПР Quartus II Web Edition Software Version 4.2 фирмы ALTERA Corporation;

• Описание с использованием языка высокого уровня AHDL следующих основных узлов цифрового автомата:

• узла триггерной подсистемы;

• узла формирования управляющих сигналов для триггерной подсистемы;

• узла формирования выходных сигналов цифрового автомата (двоично-десятичный код);

• узел преобразования двоично-десятичного кода в код управления семисегментными светодиодными индикаторами;

  • Описание работы цифрового автомата с использованием иерархического представления с использованием ранее разработанных узлов и тестирование его работы;

  • Описание работы разрабатываемого устройства по методу конечного автомата и тестирование его работы;

  • Программирование разработанных алгоритмов в ПЛИС и тестирование ее работы.

3. Методика выполнения работы

3.1. Стратегия проектирования

Выполнение курсового проекта требует умения использования САПР Quartus II Web Edition Software Version 4.2 фирмы ALTERA Corporation. Первоначально эти навыки должны быть получены студентом при выполнении лабораторных и практических работ по курсу.

Среда проектирования системы Quartus II Web Edition Software Version 4.2 предлагает полный спектр возможностей для разработки цифровых устройств начиная от различных способов задания алгоритма работы до трассировки, моделирования и программирования конкретной ПЛИС. Взаимосвязь приложений среды проектирования поясняет рис.1.

Рис.1.

Возможный вариант процедуры проектирования, реализации которой доступна с применением среды Quartus II Web Edition Software Version 4.2, представлен на рис.2.

Реализация данной процедуры предполагает использование либо стратегии восходящего, либо нисходящего проектирования.

И та и другая стратегии подразумевают использование поведенческих и структурных описаний модулей. При структурном описании модуль представляется в виде совокупности взаимосвязанных компонентов более низкого уровня в иерархии описаний. При поведенческом же описании задается алгоритм работы модуля.

Восходящее проектирование применимо в том случае, когда для создаваемого устройства имеется детальное структурное описание (обычно — принципиальная схема на микросхемах средней степени интеграции), выполненное в элементном базисе, отличном от имеющегося в распоряжении разработчика СБИС.

Рис.2.

При этом разработчик решает следующие задачи:

• Создание функциональных аналогов элементов, использованных в заданном структурном описании.

• Отладка созданных компонентов.

• Сборка созданных компонентов в единый модуль.

• Моделирование и отладка устройства в целом.

Таким образом, в процессе проектирования разработчик сначала создает модули нижнего уровня в иерархии описаний, а затем — модуль верхнего уровня. Отсюда и название стратегии проектирования.

Стратегия нисходящего проектирования применяется в том случае, когда задан алгоритм работы (поведенческое описание) создаваемого устройства и набор системных требований (максимальная тактовая частота работы, задержка распространения сигналов от входов до выходов, потребление энергии, стоимость и т. д.). При этом поведенческое описание может быть как формализованным (блок схема алгоритма, граф, таблица переходов и выходов и т. д.), так и неформализованным (словесное описание). Реализация нисходящего проектирования базируется на итерационном выполнении структурной декомпозиции.

Упрощенно, ориентируясь на возможности пакета Quartus II Web Edition Software Version 4.2, процедура нисходящего проектирования выглядит следующим образом:

• Разработка архитектуры СБИС. Исходное поведенческое описание преобразуется в структурное, элементами которого являются архитектурные модули.

• Архитектурные модули либо описываются на поведенческом уровне (например, с помощью языка AHDL), либо осуществляется их структурная декомпозиция и создается структурное описание, элементами которого являются функциональные модули. Далее процедура итерационно повторяется до тех пор, пока все функциональные модули не будут описаны на поведенческом уровне.

• После этого осуществляется функциональное моделирование модулей, имеющих поведенческие описания.

• Функциональное моделирование модулей, имеющих структурное описание (модули, имеющие поведенческое описание, входят в них как компоненты).

• Моделирование и отладка устройства в целом.

Таким образом, в процессе проектирования разработчик опускается с верхнего уровня иерархии описаний, уровня СБИС, к нижним уровням. Отсюда и название стратегии проектирования.

Следует отметить, что стратегия нисходящего проектирования имеет безусловные преимущества как по временным затратам на разработку, так и по качеству проработки проекта.

Независимо от выбранной стратегии проектирования для задания структур и алгоритмов работы модулей целесообразно использование текстового описания, созданного на языке AlteraHDL.

При выполнении курсового проекта используется как восходящая , так и нисходящая стратегии проектирования.