Системные свойства микросхем программируемой логики

ПЛИС рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективная элементная база для построения цифровой аппаратуры разнообразного назначения. Появляются и новые возможности реализации на программируемых микросхемах аналоговых и аналого-цифровых устройств. Перспективность ПЛИС базируется на ряде их достоинств, к числу которых можно отнести перечисленные ниже, справедливые для ПЛИС вообще, безотносительно к их конкретным разновидностям:

– универсальность и связанный с нею высокий спрос со стороны потребителей, что обеспечивает массовое производство.

– низкая стоимость, обусловленная массовым производством и высоким процентом выхода годных микросхем при их производстве вследствие достаточно регулярной структуры.
– высокое быстродействие и надежность как следствие реализации на базе передовых технологий и интеграции сложных устройств на одном кристалле.
– разнообразие конструктивного исполнения, поскольку обычно одни и те же кристаллы поставляются в разных корпусах.

– разнообразие в выборе напряжений питания и параметров сигналов ввода/вывода, а также режимов снижения мощности, что особенно важно для портативной аппаратуры с автономным питанием.
– наличие разнообразных, хорошо развитых и эффективных программных средств автоматизированного проектирования, малое время проектирования и отладки проектов, а также выхода продукции на рынок.

– простота модификации проектов на любых стадиях их разработки.
Для новейших вариантов ПЛИС с динамическим репрограммированием структур, кроме важных с общих позиций свойств, следует назвать и дополнительную специфическую черту: возможность построения на базе динамически репрограммируемых микросхем новых классов аппаратуры с многофункциональным использованием блоков.

Программируемые логические интегральные схемы становятся в последнее время все более распространенной и привычной элементной базой для разработчиков цифровых устройств. Последние годы характеризуются резким ростом плотности упаковки элементов на кристалле, многие ведущие производители либо начали серийное производство, либо анонсировали ПЛИС с эквивалентной емкостью более 1 миллиона логических вентилей. Цены на ПЛИС неуклонно падают. Так, еще год - полтора назад ПЛИС емкостью 100 000 вентилей стоила в Москве в зависимости от производителя, приемки, быстродействия от 1500 до 3000 у.е., то сейчас такая микросхема стоит от 50 до 350 у.е., то есть цены упали практически на порядок и эта тенденция устойчива. Что касается ПЛИС емкостью 10 000 – 30 000 логических вентилей, то появились микросхемы стоимостью менее 10 у.е.

В таблице 1 приведена динамика развития рынка ПЛИС [21].

Таблица 1. Объем рынка ПЛИС, млн $

Такое состояние рынка с одной стороны не может не радовать разработчиков, с другой стороны появляется ряд вопросов, связанных с тем, какую элементную базу и как использовать в новых разработках, а также при проведении модернизации существующих систем.

С появлением новых производителей появились и новые архитектуры. ИС ПМЛ имеют архитектуру, весьма удобную для реализации цифровых автоматов. Развитие этой архитектуры – CPLD (Complex Programmable Logic Devices) - ПЛИС, содержащие несколько логических блоков (ЛБ), объединенных коммутационной матрицей. Каждый ЛБ представляет собой структуру типа ПМЛ, т.е. программируемую матрицу "И" и фиксированную матрицу "ИЛИ". ПЛИС типа CPLD, как правило, имеют довольно высокую степень интеграции (до 10000 эквивалентных вентилей, до 256 макроячеек). К этому классу относятся ПЛИС семейства MAX5000 и MAX7000 фирмы ALTERA, схемы XC7000 и XC9500 фирмы XILINX, а также большое число микросхем других производителей (Atmel, Vantis, Lucent и др.). Рассмотрим эту архитектуру на примере ПЛИС семейства MAX3000 фирмы Altera.. Их архитектура близка к архитектуре семейства MAX7000, однако имеется ряд небольших отличий. В таблице 2 приведены основные параметры ПЛИС MAX3000.

Таблица 2. Основные параметры ПЛИС MAX3000

Микросхемы семейства MAX3000 выполнены по CMOS EPROM технологии, при соблюдении технологических норм 0.35 мкм, что позволило существенно удешевить их по сравнению с семейством MAX7000S. Все ПЛИС MAX3000 поддерживают технологию программирования в системе (ISP, In-system programmability) и периферийного сканирования (boundary scan) в соответствии со стандартом IEEE Std. 1149.1 JTAG. Элементы ввода-вывода (ЭВВ) позволяют работать в системах с уровнями сигналов 5В, 3.3В, 2.5В. Матрица соединений имеет непрерывную структуру, что позволяет реализовать время задержки распространения сигнала не более 4.5 нс. ПЛИС MAX3000 имеют возможность аппаратной эмуляции выходов с открытым коллектором (open - drains pin) и удовлетворяют требованиям стандарта PCI по уровням сигналов. Имеется возможность индивидуального программирования цепей сброса, установки и тактирования триггеров, входящих в макроячейку. Предусмотрен режим пониженного энергопотребления. Программируемый логический расширитель позволяет реализовать на одной макроячейке функции до 32 переменных. Имеется возможность задания бита секретности (security bit) для защиты от несанкционированного тиражирования разработки.

Приборы программируемой логики, яркими представителями которых являются ПЛИС (Программируемые Логические Интегральные Схемы) применяются на протяжении нескольких десятилетий для построения разнообразных интерфейсных узлов, устройств управления и контроля и т.д. Однако, если еще 5 лет назад ПЛИС занимали весьма скромную нишу на рынке электронных компонентов -(в первую очередь из-за небольшого быстродействия и малого количества эквивалентных логических вентилей), то сейчас ситуация изменилась кардинально. Раньше о ПЛИС говорили, в основном, как об «игрушках», недостойных внимания серьезных разработчиков, но с появлением быстродействующих ПЛИС сверхвысокой интеграции, работающих на высоких тактовых частотах, их ниша на мировом рынке значительно расширилась. Современные образцы ПЛИС, выполненные по 0,22-микронной технологии, способны работать на частотах до 300 МГц и реализуют до 3 млн. эквивалентных логических вентилей. Компания Xilinx, один из мировых лидеров в данной области, уже объявила о выпуске ПЛИС в 10 млн. (!) логических вентилей. Столь резкое увеличение мощности ПЛИС позволяет использовать их не только для реализации простых контроллеров и интерфейсных узлов, но и для цифровой обработки сигналов, сложных интеллектуальных контроллеров и нейрочипов. Появление быстродействующих ПЛИС со сверхнизким уровнем энергопотребления открывает широкие возможности по их использованию в системах мобильной связи (в частности, непосредственно в сотовых телефонах и пейджерах), в портативных проигрывателях (например, в МР3-проигрывателях) и т.д.

По целому ряду причин особый интерес вызывает использование ПЛИС для реализации нейрочипов. Приведем эти причины. Во-первых, разработка проектов на ПЛИС оказывается достаточно быстрой, занимая всего несколько месяцев. Во-вторых, ПЛИС на сегодняшний день обладают огромными ресурсами, которые могут быть эффективно использованы при реализации нейрочипов. И, самое главное, нейрочипы - это та область микропроцессорной техники, в которой в настоящее время нет подавляющего лидерства США и Японии, и нишу нейрочипов могут занять другие страны мира, в том числе и Россия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств. ALTERA HDL. Практический курс.-М.: ИП Радио Софт, 2002.- 224.

2. Бибило П.Н. Основы VHDL языка. Изд. Соломон-Р ,- М.: 2000.-200 с.

3. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики.-СПб.: БХВ-Петербург,2002.-608 с.

4. Зобенко А. А., Филиппов А. С., Комолов Д. А., Мяльк Р. А.. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II и Quartus II. Краткое описание и самоучитель. – издательство «РадиоСофт» · 2002 г. · 360 с.

5. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы “ALTERA”: элементая база, система проектирования и языки описания аппаратуры.- М.: Издательский дом, ДОДЕКА – XXI ,- 2002.- 576 с.

6. Исследование цифровых устройств на основе (ПЛИС) в среде Quartus II:

http://www.leso.sibsutis.ru/index.php?act=metod&target=metod_leso2_1

7. Компания «ГАММА»: http://www.icgamma.ru/linecard/altera/kits/quartus2

8. «Инлайн Груп» – официальный дистрибьютор фирмы Xilinx:

http://www.plis.ru/page.php?id=12

9. Сайт статей посвященный проектированию цифровых устройств:

http://www.iclothes.ru/State_3.html

10. Сайт статей посвященный проектированию цифровых устройств:

http://www.iclothes.ru/State_7.html

11. Лаборатория Параллельных информационных технологий:

http://www.parallel.ru/FPGA/cpld.html

12. Интернет-ресурс для расчета потребляемой мощности ПЛИС Xilinx Web Power Tools: www.xilinx.com/products/design_resources/power_central/index.htm

13. Таблицы выбора ИС питания: www.semtech.com/pc/downloadDocument.do?id=654 (файл FPGAX-SG. pdf)

14. В. Стешенко. Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС

15. C. Шипулин, Д. Губанов, В. Стешенко, В. Храпов. Тенденции развития ПЛИС и их применение для цифровой обработки сигналов Электронные компоненты

16. С. Шипулин, Д. Губанов, В. Стешенко, В. Храпов. ПЛИС — элементная база систем управления и обработки сигналов XXI века Электронные компоненты

17. Основные производители современных ПЛИС-компьютеров и комплектующих к ним

18. ПЛИС и ПАИС Компоненты и технологии

19. 2.2. Выбор ПЛИС для реализации проекта

20. Угрюмов Е. П. Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика, базовые матричные кристаллы / Цифровая схемотехника. Учеб. пособие для вузов. Изд.2, БХВ-Петербург, 2004. С. 357.

21. В. Соловьев, А. Климович. Введение в проектирование комбинационных схем на ПЛИС

22. ПЛИС Actel — основа при реализации SoC бортовой аппаратуры

23. ПЛИС FPGA

24. Платформы. Технология ПЛИС и ее применение для создания нейрочипов