1 Технология разработки систем на кристалле. Преимущества языка vhdl.

Определенный класс задач, требующих экстремальных характеристик быстродействия, пропускной способности, энергопотребления, требует разработки вычислительных устройств, которые в последнее время реализуются в виде систем на кристалле.

Наиболее трудоемкими и ответственными этапами разработки таких микросхем являются этапы структурного проектирования вычислительных устройств и проверки его соответствия заданным алгоритмам функционирования. Эффективность САПР и производительность разработчиков растут примерно на 20% в год. один из выходов решения проблемы усложнения систем на кристалле является использование крупных вычислительных библиотечных модулей. Второе направление – разработка САПР аппаратно-программного проектирования.

Наибольшее ускорение дает третий подход – разработка САПР непосредственного отображения алгоритмов в аппаратуру, т.е. фактически САПР системного проектирования.

Преимущества языка VHDL:

1) Проектирование больших вычислительных устройств (VHDL позволяет несколькими строками кода описать сотни тысяч триггеров, микросхему с интеграцией более 10 тыс. вентелей только с помощью электронных схем невозможно);

2) проект на VHDL объединяет структуру и алгоритм функционирования вычислительных устройств, что позволяет отлаживать устройство в симуляторах без макетирования;

3) проект VHDL фактически не требует дополнительной документации;

4) высокая надежность;

5) универсальность проекта (проекты легко настраиваются, т.е. можно менять разрядность, объем, состав блока и т.д.);

6) VHDL проекты легко портируются;

7) проекты VHDL имеют большую продолжительность жизни.

2 Архитектура плис фирмы Xilinx.

ПЛИС представляют собой матрицу маловходовых элементов (до 5-ти) триггеров, отрезков линий связи, соединяемых полевыми транзисторами. Программирование осуществляется изменением электрического поля в затворах этих транзисторов.

Затворы всех транзисторов подключены к триггерам одного длинного сдвигового регистра, который заполняется при программировании. Прошивка обычно хранится в ПЗУ, стоящей рядом с ПЛИС. При включении питания или по Reset’y прошивка копируется в сдвиговый регистр ПЛИС. Прошивка иногда называется конфигурацией.

Архитектура ПЛИС фирмы Xilinx

Фирма Xilinx является одним из родоначальников и крупнейших производителей. Архитектурные особенности этой фирмы узнаваемы также и в микросхемах других производителей. На площади кристалла конфигурируемые расположены логические блоки, матрица отрезков линий межсоединений покрытых матрицами перемычек – полевых транзисторов. По краям кристалла располагаются блоки настраиваемых ПЗУ. По периметру кристалла расположены блоки ввода-вывода и периферийный канал линий межсоединений, предназначенный для соединения конфигурируемых логических блоков с произвольной линией ввода-вывода. Для обеспечения всех связей и увеличения быстродействия соединений используется до 9 слоев металлизации.

Роль основного логического элемента играет логическая таблица LookUpTable (LUT), которая по сути является однобитным ОЗУ на 16 ячеек. Это позволяет реализовать различные логические элементы путем записи различных значений в 16 ячеек. В ПЛИС фирмы Xilinx широко применяются шины с тремя состояниями, это существенно повышает их себестоимость, но во-первых – упрощает переход от проекта к реализации системы на кристалле; во-вторых – снижает аппаратные затраты; в-третьих – позволяют эффективно реализовать встроенные ОЗУ.

Широкое применение в ПЛИС находят блоки ввода-вывода, которые можно настроить под различные стандарты электрических соединений, что позволяет заменять целые большие схемы, построенные на устаревшей элементной базе. Сигнальный вывод ПЛИС называется PAD-ом. Резисторы pullup и pulldown задают режим работы для систем с открытым проектором с различными уровнями логики. Уровень срабатывания входного сигнала также программируется, либо может задаваться опорным напряжением. Линии ввода-вывода объединяются в блоки, на которые могут подаваться разные напряжении питания. Для надежного функционирования в микросхемах предусмотрено 4-е входа синхросигнала, расположенных с разных сторон микросхемы. Синхросигнал может подаваться и внутри ПЛИС (CLKPAD). Для изменения частоты микросигнала могут использоваться делители с автоподстройкой. Конфигурируемые ПЛИС осуществляются с помощью выводов М2, М1 и М0 задания режимов работы, вывода CCLK входа конфигураций последовательности PROGRAM выхода флага окончания конфигурирования DONE, либо порта JTAG, либо порта D (8 бит) с управляемыми линиями Write, BUSY. Прошивка с помощью линий PROGRAM могут осуществляться несколько десятков секунд, а с использованием порта D – несколько доли секунд, но при этом требуется дополнительный микроконтроллер.