Разработка светодиодных систем отображения информации

Системы передачи по волоконно-оптическим линиям связи

 

Светодиодные экраны

Бегущие строки

НПП “Цифровые решения”

Контрактная разработка радиоэлектронных устройств

Цифровая обработка сигналов и изображений

Поставка высокотехнологичных изделий

 

ПЛИС фирмы Altera: проектирование устройств обработки сигналов.

Стешенко В.Б.

Введение

Идея написания этой книги назревала в течении последних двух – трех лет, когда для многих разработчиков аппаратуры ЦОС стало ясно, что программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) – удобная в освоении и применении элементная база, альтернативы которой зачастую не найти. 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 (к сожалению, только лишь в долларовом эквиваленте) 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 100 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.

Такая ситуация на рынке вызвала волну вопросов, связанных с подготовкой специалистов, способных проводить разработку аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС, владеющих основными методами проектирования, ориентирующимися в современной элементной базе и программном обеспечении. Идя навстречу многочисленным пожеланиям предприятий, заинтересованных в подготовке молодых специалистов, владеющих современными технологиями, на кафедре СМ5 «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э.Баумана в программу четырехсеместрового курса «Схемотехническое проектирование микроэлектронных устройств» включен семестровый раздел «Проектирование аппаратуры обработки сигналов на ПЛИС», на основе лекционных и семинарских материалов которого и выходит этот цикл статей.

Приведем известную классификацию ПЛИС [1,2,3] по структурному признаку, т.к. она дает наиболее полное представление о классе задач, пригодных для решения на той или иной ПЛИС. Следует заметить, что общепринятой оценкой логической емкости ПЛИС является число эквивалентных вентилей, определяемое как среднее число вентилей 2И-НЕ, необходимых для реализации эквивалентного проекта на ПЛИС и базовом матричном кристалле (БМК). Понятно, что эта оценка весьма условна, поскольку ПЛИС не содержат вентилей 2И-НЕ в чистом виде, однако для проведения сравнительного анализа различных архитектур она вполне пригодна. Основным критерием такой классификации является наличие, вид и способы коммутации элементов логических матриц. По этому признаку можно выделить следующие классы ПЛИС.

Программируемые логические матрицы - наиболее традиционный тип ПЛИС, имеющий программируемые матрицы "И" и "ИЛИ". В зарубежной литературе соответствующими этому классу аббревиатурами являются FPLA (Field Programmable Logic Array) и FPLS (Field Programmable Logic Sequensers). Примерами таких ПЛИС могут служить отечественные схемы K556PT1,PT2,PT21. Недостаток такой архитектуры – слабое использование ресурсов программируемой матрицы «ИЛИ», поэтому дальнейшее развитие получили микросхемы, построенные по архитектуре программируемой матричной логики (зарубежная аббревиатура - PAL - Programmable Array Logic) - это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу "И" и фиксированную матрицу "ИЛИ". К этому классу относятся большинство современных ПЛИС небольшой степени интеграции. В качестве примеров можно привести отечественные ИС КМ1556ХП4, ХП6, ХП8, ХЛ8, ранние разработки (середина –конец 1980-х годов) ПЛИС фирм INTEL, ALTERA, AMD, LATTICE и др. Разновидностью класса ПМЛ являются ПЛИС, имеющие только одну (программируемую) матрицу "И", например, схема 85C508 фирмы INTEL. Следующий традиционный тип ПЛИС - программируемая макрологика. Они содержат единственную программируемую матрицу "И-НЕ" или "ИЛИ-НЕ", но за счет многочисленных инверсных обратных связей способны формировать сложные логические функции. К этому классу относятся, например, ПЛИС PLHS501 и PLHS502 фирмы SIGNETICS, имеющие матрицу "И-НЕ", а также схема XL78C800 фирмы EXEL, основанная на матрице "ИЛИ-НЕ".

Выше перечисленные архитектуры ПЛИС содержат небольшое число ячеек, к настоящему времени морально устарели и применяются для реализации относительно простых устройств, для которых не существует готовых ИС средней степени интеграции. Естественно, для реализации алгоритмов ЦОС они не пригодны.

ИС ПМЛ (PLD) имеют архитектуру, весьма удобную для реализации цифровых автоматов. Развитие этой архитектуры - программируемые коммутируемые матричные блоки (ПКМБ)- это ПЛИС, содержащие несколько матричных логических блоков (МЛБ), объединенных коммутационной матрицей. Каждый МЛБ представляет собой структуру типа ПМЛ, т.е. программируемую матрицу "И", фиксированную матрицу "ИЛИ" и макроячейки. ПЛИС типа ПКМБ, как правило, имеют 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.). В зарубежной литературе они получили название Complex Programmable Logic Devices (CPLD).

Другой тип архитектуры ПЛИС - программируемые вентильные матрицы (ПВМ) состоящие из логических блоков (ЛБ) и коммутирующих путей –программируемых матриц соединений. Логические блоки таких ПЛИС состоят из одного или нескольких относительно простых логических элементов, в основе которого лежит таблица перекодировки (ТП, Look-up table, LUT), программируемый мультиплексор, D-триггер, а также цепи управления. Таких простых элементов может быть достаточно большое количество, у современных ПЛИС емкостью до 1 миллиона вентилей число логических элементов достигает нескольких десятков тысяч. За счет такого большого числа логических элементов они содержат значительное число триггеров, а также некоторые семейства ПЛИС имеют встроенные реконфигурируемые модули памяти (РМП, embedded array block, EAB), что делает ПЛИС данной архитектуры весьма удобным средством реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов, основными операциями в которых являются перемножение, умножение на константу, суммирование и задержка сигнала. Вместе с тем, возможности комбинационной части таких ПЛИС ограничены, поэтому совместно с ПВМ применяют ПКМБ (CPLD) для реализации управляющих и интерфейсных схем. В зарубежной литературе такие ПЛИС получили название Field Programmable Gate Array (FPGA). К FPGA (ПВМ) классу относятся ПЛИС XC2000, XC3000, XC4000, Spartan, Virtex фирмы XILINX, ACT1, ACT2 фирмы ACTEL, а также семейства FLEX8000 фирмы ALTERA, некоторые ПЛИС Atmel и Vantis.

Множество конфигурируемых логических блоков (Configurable Logic Blocks (CLBs) объединяются с помощью матрицы соединений. Характерными для FPGA архитектур являются элементы ввода-вывода (input/output blocks (IOBs), позволяющие реализовать двунаправленный ввод/вывод, третье состояние и т.п.

Особенностью современных ПЛИС является возможность тестирования узлов с помощью порта JTAG (B-scan), а также наличие внутреннего генератора (Osc) и схем управления последовательной конфигурацией.

Фирма Altera пошла по пути развития FPGA архитектур и предложила в семействе FLEX10K так называемую двухуровневую архитектуру матрицы соединений.

ЛЭ объединяются в группы – логические блоки (ЛБ). Внутри логических блоков ЛЭ соединяются посредством локальной программируемой матрицы соединений, позволяющей соединять любой ЛЭ с любым. Логические блоки связаны между собой и с элементами ввода-вывода посредством глобальной программируемой матрицы соединений (ГПМС). Локальная и глобальная матрицы соединений имеют непрерывную структуру - для каждого соединения выделяется непрерывный канал.

Дальнейшее развитие архитектур идет по пути создания комбинированных архитектур, сочетающих удобство реализации алгоритмов ЦОС на базе таблиц перекодировок и реконфигурируемых модулей памяти, характерных для FPGA структур и многоуровневых ПЛИС с удобством реализации цифровых автоматов на CPLD архитектурах. Так, ПЛИС APEX20K фирмы Altera содержат в себе логические элементы всех перечисленных типов, что позволяет применять ПЛИС как основную элементную для «систем на кристалле» (system-on-chip, SOC). В основе идеи SOC лежит интеграция всей электронной системы в одном кристалле (например, в случае ПК такой чип объединяет процессор, память, и т. д.). Компоненты этих систем разрабатываются отдельно и хранятся в виде файлов параметризируемых модулей. Окончательная структура SOC-микросхемы выполняется на базе этих "виртуальных компонентов" с помощью программ систем автоматизации проектирования (САПР) электронных устройств – EDA (Electronic Design Automation). Благодаря стандартизации в одно целое можно объединять "виртуальные компоненты" от разных разработчиков.

Как известно, при выборе элементной базы систем обработки сигналов обычно руководствуются следующими критериями отбора:

  • быстродействие;
  • логическая емкость, достаточная для реализации алгоритма;
  • схемотехнические и конструктивные параметры ПЛИС, надежность, рабочий диапазон температур, стойкость к ионизирующим излучениям и т.п.;
  • стоимость владения средствами разработки, включающая как стоимость программного обеспечения, так наличие и стоимость аппаратных средств отладки;
  • стоимость оборудования для программирования ПЛИС или конфигурационных ПЗУ;
  • наличие методической и технической поддержки;
  • наличие и надежность российских поставщиков;
  • стоимость микросхем.

В данной книге рассматриваются вопросы проектирования устройств обработки информации на базе ПЛИС фирмы Altera.

Фирма Altera Corporation, (101 Innovation Drive, San Jose, CA 95134, USA, www.altera.com) была основана в июне 1983 года. В настоящее время High-end продуктом этой фирмы является семейство APEX20K

Кроме того, Altera выпускает CPLD семейств MAX3000, MAX7000, MAX9000 (устаревшие серии специально не упоминаются), FPGA семейств FLEX10K, FLEX8000, FLEX6000.

Дополнительным фактором при выборе ПЛИС Altera является наличие достаточно развитых бесплатных версий САПР. В Таблице В.1 приведены основные характеристики пакета MAX+PLUS II BASELINE ver. 9.3 фирмы Altera, который можно бесплатно «скачать» с сайта www.altera.com или получить на CD Altera Digital Library, на котором содержится также и полный набор документации по архитектуре и применению ПЛИС.

 

Таблица В.1. Основные характеристики пакета MAX+PLUS II BASELINE ver. 10

Поддерживаемые устройстваACEX, EPF10K10, EPF10K10A, EPF10K20, EPF10K30, EPF10K30A, EPF10K30E (до 30000 эквивалентных вентилей), EPM9320, EPM9320A, EPF8452A, EPF8282A, MAX7000, FLEX 6000, MAX 5000, MAX 3000A, Classic
Средства описания проектаСхемный ввод, поддержка AHDL, средства интерфейса с САПР третьих фирм, топологический редактор, иерархическая структура проекта, наличие библиотеки параметризируемых модулей
Средства компиляции проектаЛогический синтез и трассировка, автоматическое обнаружение ошибок, поддержка мегафункций по программам MegaCore и AMPP
Средства верификации проектаВременной анализ, функциональное и временное моделирование, анализ сигналов, возможность использования программ моделирования (симуляторов) третьих фирм

 

Кроме того, ПЛИС фирмы Altera выпускаются с возможностью программирования в системе непосредственно на плате. Для программирования и загрузки конфигурации устройств опубликована схема загрузочного кабеля ByteBlaster и ByteBlasteMV. Следует отметить, что новые конфигурационные ПЗУ EPC2 и ЕРС16 позволяют программирование с помощью этого устройства, тем самым отпадает нужда в программаторе, что естественно снижает стоимость владения технологией.

ПЛИС фирмы Altera выпускаются в коммерческом и индустриальном диапазоне температур.

Структурно книга разбита на пять глав и 3 приложения.

В первой главе дается обзор перспективных семейств ПЛИС фирмы Altera, даются краткие сведения об особенностях их архитектуры и временных параметрах устройств. Следует заметить, что книга ни в коей мере не подменяет собой фирменную документацию, без которой проектирование устройств просто невозможно. Цель этой главы – помочь начинающему разработчику в выборе элементной базы и дать представление о ее особенностях.

Во второй главе рассмотрена САПР MAX+PLUS II.

Третья глава посвящена языку описания аппаратуры AHDL.

Язык описания аппаратуры VHDL рассмотрен в главе 4.

Язык описания аппаратуры VERILOG HDL рассмотрен в главе 5.

В Главе 6 приводятся примеры описания цифровых устройств на языках высокого уровня.

В главе 7 приведены примеры реализации некоторых алгоритмов.

В приложении 1 рассмотрены особенности САПР Quartus.

В приложении 2 рассмотрены современные интерфейсы передачи данных.

В Приложении 3 даны рекоммендации по разработке печатных плат с ПЛИС.

 

 

<< Назад | Оглавление | Далее >>

 

Координаты:

   г. Москва, пр. Мира, 102

Для писем:

   105066, Россия, г. Москва, а/я 18

Тел.: (495) 778-97-04

e-mail: mail@dsol.ru, info@dsol.ru

 

© НПП “Цифровые решения” 2003 — 2006

Разработка светодиодных экранов | Разработка бегущих строк | Проектирование ПЛИС и СБИС | Разработка законченных устройств и модулей | Синтез алгоритмов |

Rambler's Top100 Rambler's Top100