Написать эту статью заставили меня товарищи, которые очень хорошо (гораздо лучше меня) разбираются в контроллерах и применяют их везде, где ни попадя. Тем не менее, есть огромная куча приложений, когда применение ПЛИС не только оправдано, но и приводит к значительному упрощению системы и улучшению ее параметров. Сразу оговорюсь: в этой и, возможно, последующих статьях я рассматриваю ПЛИС только фирмы Xilinx не потому, что они мне заплатили, и даже не потому, что они лучше всех, просто исторически сложилось, что работаю я практически только с ними.

Итак, начнем с небольшого количества теории. ПЛИС делятся на две основных группы: CPLD (Complex Programmed Logic Device) и FPGA (Field Programmed Gate Array). CPLD - это обычно ПЛИС класса "эконом", т.е. имеют невысокую цену и довольно скудное количество ресурсов, особенно это заметно на триггерах. FPGA обычно подороже, содержат побольше ресурсов (простой логики - триггеров...) и, самое важное, в последнее время дополнительные "непростые" блоки, как, например, умножители, блоковую память, интерфейсные причиндалы (Ethernet, PCI-express...) и даже процессорные ядра PowerPC. Отдельно можно упомянуть серию Zinq от Xilinx - туда вообще ядра ARM запихали. Главным же отличием FPGA от CPLD является потребность в загрузке конфигурации при включении питания и, соответственно, внешней ПЗУ с конфигурацией. Даже семейство SPARTAN-3AN имеет на борту встроенную ПЗУ-шку, из которой и грузится.

Теперь самое главное: чем ПЛИС отличается от контроллера и когда их применять. Тут всё довольно просто: ПЛИС (берем те, что без наворотов) - это, по сути, мешок логики на одном кристалле, которую можно произвольно соединять: те самые триггеры, AND, OR и тому подобные примитивы, как, например, в серии К155 или 74НС. Контроллер же - это готовый процессор (пусть со скудным количеством команд), встроенная память, шины данных и команд, периферия и т.д. В общем-то говоря, из большой ПЛИС можно сделать маленький контроллер, но эта затея, по крайней мере, глупая. Итак, контроллер заточен под выполнение длинных цепочек команд, их циклического повторения, переключения с одной цепочки на другую и т.д., а ПЛИС заточена под выполнение простых логических операций и, что немаловажно, большого количества сразу (и даже на разных тактовых частотах).

Рис. 1

После того, как мы припаяли ПЛИС на макетную плату, спаяли или купили программатор, скачали и установили пакет ISE Webpack (у меня версия 13.2), запускаем Project Navigator и создаем новый проект. Чтобы создать проект, выбираем File -> New Project, указываем имя проекта и куда его сохранить, также указываем тип исходника TOP-LEVEL (рис.2). Дело в том, что для ПЛИС не обязательно рисовать схему из триггеров и их соединений, можно, например, писать на языках высокого уровня (VHDL, Verilog) и совсем не обязательно в пределах одного проекта использовать что-то одно. Мы же пока используем только Schematic на всех уровнях.

Рис. 2
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

В следующем окошке (рис. 3) выбираем нашу микросхему (остальное поначалу не трогаем); в окне, появившемся после нажатия на кнопку "Next", любуемся на параметры созданного проекта, жмем "Финиш" - и готово: проект создан.

Рис. 3

Теперь надо, собственно, нарисовать схему: правым кликом на окошко с проектом и new sourсe (рис 4.), нарекаем этот исходник именем (это имя нашей схемы, их в проекте может быть много), выбираем опять-таки Schematic, жмем "Next", любуемся на параметры вновь создаваемого файла, жмем "Финиш" и получаем чистую схему.

Рис. 4
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Начинается самое интересное: на панельке слева (не с самого краю) жмем кнопочку "add symbol" (рис. 5).

Рис. 5
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

И получаем еще левее список символов текущей библиотеки. Как добавлять, создавать, править библиотеки, разберемся потом (по мере необходимости). Сейчас нам важно выбрать необходимый символ. Так в верхнем окошке мы видим некий классификатор - фильтр, которым пользоваться не обязательно (ну зачем же пролистывать всякие триггеры и логические элементы, когда нам нужен счетчик).

Для примера рассмотрим следующую задачу: нужно максимально точно определить время задержки между передними фронтами 2-х импульсов, появляющихся на разных проводах, и слить это значение в контроллер по интерфейсу SPI. Всякое сходство задачи с темой "Повышение рабочей частоты МК" на одном из робототехнических форумов умышленное. Итак, на входе устройства 2 провода для импульсов и 3 провода для SPI контроллера. Добавляем еще вход тактирования (пока мы не знаем на какой частоте, можем только предположить, что не менее 70 МГц). Начинаем рисовать прошивку: нам нужны триггеры-защелки, которые будут "ловить" импульсы, счетчик времени, регистр сдвига (создавать их не надо, они есть библиотечные). Что такое триггеры и счетчики, описывать не буду, надеюсь, читатели "в теме" и проблем не возникнет, в противном случае придется писать еще несколько статей. Получили вот такую схему (рис. 6), как вы видите, необязательно тянуть провод от выхода символа до входа, достаточно просто обозвать цепь. Для обозначения внешних входов и выходов используем кнопку "Add I/O Marker".

Рис. 6
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Когда схема готова, переходим на вкладку Design, и даблкликаем на Implement Design - начинаются всякие процессы (для начала не важно какие именно - главное, что всё вместе - это процесс перегонки исходника в прошивку). Когда всё отработает, смотрим на эрроры с варнингами: всё, что важно, исправляем, остальное оставляем. Например, не нужны нам выходы СЕО и ТС счетчика и остальные 15 бит параллельного выхода регистра сдвига тоже не нужны, а варнингами ругается. Если ругается эррорами на то, что мы так и хотим, значит, мы хотим чего-то не того. Если нас (и синтезатор) всё устраивает - любуемся дальше на репорты: сколько каких ресурсов израсходовано, какие тактовые частоты доступны... Если опять всё хорошо, то самое время просимулировать схему и убедиться, что она, собственно, работает согласно поставленной задаче. Симуляцию после проверки таймингов я предлагаю проводить по причине того, что иногда для получения нужной тактовой частоты приходится всю схему перетрясти, что, естественно, может сказаться на результате...

Итак, симуляция: на вкладке Design (в левой панельке) выбираем simulation (рис. 7).

Рис. 7
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Внизу, в процессах, вместо процессов синтеза и разводки появился процесс Simulate Behavioral Model, даблкликаем на него - запускается симулятор, в котором мы видим наши сигналы (не только входные-выходные, но и промежуточные) (рис 8).

Рис. 8
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Наводим на кнопочки курсор мышки, читаем комментарии к кнопочкам. Устанавливаем время шага симуляции (рис. 9) и начальные значения входных сигналов, сразу же настраиваем тактовые сигналы (не будем же мы каждые 5 нс симулировать и клок переключать).

Рис. 9
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Шагая по времени путем манипуляций с входами и (при необходимости) с шагом симуляции, получаем временную диаграмму (рис. 10).

Рис. 10
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Убеждаемся, что всё работает так, как задумано (или отлаживаем схему дальше), и переходим к следующему шагу - распределению выходов и входов по ножкам микросхемы. Для этого добавляем еще один файл-исходник (рис. 11), а именно Implementation Constraints File.

Рис. 11
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Прописываем "распиновку микросхемы" (рис. 12), здесь же прописываем требования к тактовым частотам. И вот мы дошли до нюанса, связанного с тактовыми сигналами. Дело в том, что сигналы тактирования должны приходить на так называемые глобальные линии - линии, которые проходят через всю микросхему, остальные линии имеют локальный характер и от блока к блоку проходят через коммутационную логику. У микросхемы XC95288XL в корпусе TQ144 таких линий 3, и подключаются они к ногам 30, 32, 38. Остальные сигналы можно подключить к любым ножкам ввода-вывода (I/O).

Рис. 12
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Снова даблкликаем Implement Design, ждем, читаем замечания на тему варнингов с эррорами и переходим на отчеты по распиновке (рис. 13) и таймингам (рис. 14); убеждаемся в том, что всё нас устраивает, и имеем счастье в виде файла %project_name%.jed.

Рис. 13
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Рис. 14
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)

Файл прошивки готов. Допустим, устройство тоже. Подключаем к ЭВМ JTAG кабель и даблкликаем на Configure Target Device. Запустится утилитка прошивки (Impact.exe), собственно, при изготовлении нескольких устройств для прошивки серии можно ограничиться запуском только ее одной. Создаём новый проект (это проект для программки-прошивалки), разрешаем ей автоматически найти программатор и подключенную микросхему, показываем файл прошивки и жмем Program. Ждем несколько десятков секунд, видим надпись о том, что всё хорошо, - устройство готово.

ВВЕДЕНИЕ

Обычно, когда кто-то видит функционирующую плату, всегда задают одни и те же вопросы: - Это Ардуино? - А как это работает без Ардуино?

Это не микроконтроллер, это даже не процессор, это ПЛИС. ПЛИС - это программируемая логическая интегральная схема , такая микросхема состоит из множества одинаковых блоков или макроячеек, каждый производитель по своему их называет, так у Xilinx это Slices (ломтики) у Altera - LogicElements (логические элементы). Эти блоки относительно простые, они могут выполнять роль нескольких логических элементов, быть маленькой таблицей поиска (LUT), содержать готовый сумматор, умножитель, блок цифровой обработки сигналов (DSP), в общем все что задумает производитель. Пользователь может по своему желанию расположить и настроить эти блоки как ему захочется, реализовав таким образом достаточно сложные цифровые схемы. На ПЛИС можно реализовать хоть микроконтроллер, реализовав например ту же Ардуино или процессор вашей собственной архитектуры, например не регистровый а стековый процессор, даже свою собственную ПЛИС можно реализовать на ПЛИС!

Из доступных бюджетных ПЛИС можно выделить двух основных производителей Altera и Xilinx, с их продукции можно начать свой путь освоения данных технологий. На мой взгляд лучше выбрать чипы компании Altera, так как их среда проектирования стабильно обновляется, а выбрав один популярный чип Xilinx XC3S500E вам придется довольствоваться устаревшей средой ISE 14.7 (хотя и там есть свои плюсы).

В иностранной литературе можно встретить сокращения для ПЛИС: FPGA и CPLD. CPLD (Complex Programmable Logic Device) - чипы с небольшим числом макроячеек, специализированных блоков и малым энергопотреблением. Большой проект не получится синтезировать для такого типа чипов, но и для них находят применение на практике, так у редкого микроконтроллера найдется, скажем 300 ножек. Такие чипы часто применяют в качестве интерфейсных систем, предобработчиков, расширителей ввода-вывода. FPGA (Field-Programmable Gate Array) - программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ), значительно более мощные чипы по сравнению с CPLD, но потребляющие больше энергии и стоящие значительно дороже. Для уменьшения затрат площади кристалла FPGA чипы могут содержать уже готовые функции, такие как блоки цифровой обработки сигналов (DSP блоки), встроенные процессоры, встроенная память. FPGA широко применяются для проверки и верификации проектов, в так называемой докремниевой проверке пригодности, тем самым уменьшая затраты и время перед выходом продукта. FPGA чипы могут быть переконфигурированы практически в любой момент времени, сейчас ведутся разработки, например в Intel, по совмещению архитектур обычного процессора и чипа FPGA. У Xilinx уже есть такие решения - Zynq, но о них мы пока не будет вести речь.

Разговор пойдет о более простых вещах, тем более ко мне в руки попал набор разработчика: Cyclone IV 4 FPGA Core Board и Altera USB Blaster Downloader PLD Development kit за 35$, приобретенный на AliExpress .

1 Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board, краткая характеристика

Рис. 1 - Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board

На плате (Рис. 1) установлен чип EP4CE6E22C8N, его характеристики:

На плате установлено:

1. Флэш память – при подаче питания ПЛИС будет сконфигурирована в реализацию во флеш памяти. Вы можете синтезировать свой проект и записать в эту флэш
2. Кварц 25 Мгц – генератор опорной тактовой частоты, именно на этой частоте будут работать все наши проекты, наша ПЛИС может поддерживать до 10 таких каналов.
3. Светодиоды – 10, кнопки – 2.
4. Пины ввода-вывода 61 + 2 земля, 1 не соединен. Можно подключить разнообразные устройства. ЦАП-АЦП, акселерометры и гироскопы, символьный и графические дисплеи, как и у Ардуино.
5. Питание через USB, или внешнее 5В.

В комплекте также идет программатор JTAG, Altera USB Blaster.

2. Среда Quartus II и наш первый проект

Для работы с данной ПЛИС нам нужно скачать официальную среду разработки - Quartus II Web Edition , она бесплатная. Заходим на официальный сайт http://dl.altera.com/15.0/?edition=web , на момент написания версия 15.0 самая новая, если вышла новее, скачиваем ее.

Выбираем:

Рис. 2 - выбираем необходимые продукты Altera

И жмем кнопку скачать (Download Selected Files). После чего нам предложат зарегистрироваться, регистрируемся, скачиваем и устанавливаем.

Создадим свой первый проект.

Запускаем Quartus, выбираем главное меню File -> New Project Wizard, появляется окно введения, жмем next. Далее нужно указать каталог для проекта и его имя, третье поля – имя верхнего модуля, попозже увидите, что это. Выбираем папку, куда хотим сохранить проект и придумываем имя, у меня test1.

Рис. 3 - окно мастра нового проекта

Жмем next, у нас спрашивают, пустой проект (empty project) или шаблон (Project template). Оставляем пустой, next. Дальше нас просят добавить существующие файлы, у нас ничего нет, поскольку мы только начинаем свой путь, жмем next.

Далее нам необходимо выбрать наш чип, это можно сделать в любое время. Выбираем как на рисунке, Family – Cyclone IV E, specific device selected in “Available devices” и выбираем наш чип EP4CE6E22C8N, он в самом начале. Если у вас другой, найдите свой, это важно . Жмем next.

Рис. 4 -

Появится окно - выбора средств проектирования, отладки, пока это пропускаем, нажимаем next и затем finish.

Рис. 5 - Окно « Assinments-Deice »

В окне выбираем пункт «Unused pins». Эта настройка определяет, что будет с неподключенными пинами. Это может быть важно, в своем проекте вы вряд ли используете все пины, а не подключенные могут быть на деле соединены с землей или питанием (ну мало ли, кто разводил плату). Если вы подадите единичку на заземленный пин, то он сгорит, поэтому нужно внимательно следить за этим.

По умолчанию неиспользуемые пины «As input tri-stated with weak pull-up» (пины для ввода, находятся в третьем состоянии с высоким импедансом, со слабой подтяжкой по питанию), можно оставить или выбрать «As input tri-stated». Про подтягивающий резистор можете прочитать на википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Подтягивающий_резистор . В цифровой технике может быть три состояния, логическая единица – это напряжение питания или высокий уровень, логический ноль – это когда вывод подключен к земле или низкий уровень и высокоимпедансное состояние. Высокоимпедансное состояние - это когда пин имеет очень высокое сопротивление и практически не влияет на провод, к которому подключен, такое состояние нужно, например, при организации шин, когда множество устройств подключены к одному проводу и не активные устройства не мешают работе.

Рис. 6 - Окно « Device and Pin Options » , Unused Pins

Подключаем это все в «Assignment Editor»

Рис. 7 - Вызов « Assignment Editor » из меню или панели

В появившемся окне делаем как у меня, ну или если совсем правильно, то согласно схеме вашей платы.

Рис. 8 - Assinement Editor

В колонке «To» вписываем имя входа или выхода. В колонке «Assignment Name» выбираем «Location». В колонке «Value» номер контакта микросхемы, согласно схемы платы (у меня номера пинов написаны прямо на плате).

Также нужно указать, что делать с кнопками, которые одной ногой подключены к земле, а другой ко входу чипа. При нажатии на ноге будет низкий уровень, а вот без нажатия, непонятно, нога чипа будет просто висеть в воздухе, что очень плохо. Нужно подтянуть к питанию вход чипа либо резистором на плате, либо боле элегантным способом в «Assignments Editor». В колонке «Assignment Name» выбираем «Weak Pull Up resistor» для группы key* (группа обозначается через звездочку).

Рис. 9 - Assignment Editor

Далее нужно создать описание модуля верхнего уровня, который будет работать непосредственно с ножками чипа, все остальные модули будут работать только с ним. В главном меню жмем New, и выбираем "Design Files-> Block Diagram/Schematic File".

Рис. 10 - Диалог новых файлов

В открывшемся окне выбираем инструмент «Pin Tool» и располагаем вход и выход (пины ввода и вывода) на диаграмме. Переименовываем вход как key, выход как led и соединяем их проводником. Сохраняем и нажимаем "Start Compilation".

Рис. 11 - Окно графического описания, выделены Pin Tool и Start Compilation

После компиляции у нас возникли предупреждения, пока игнорируем их, они касаются неподключенных пинов, отсутствия тактового сигнала и описания для «Timing Analyzer».

Подключаем демоплату и программатор, выбираем инструмент «Programmer». В окне должно значиться «USB-Blaster », если нет то нажимаем «Hardware Setup» и пытаемся разобраться почему нет, скорее всего не установлены драйвера, смотрим в устройства Windows, ищем неопределенные устройства, может с кабелем проблема. Если все хорошо нажимаем «Auto Detect» и выбираем наш чип.

Рис. 12 - Окно Programmer

Нажимаем двойным щелчком мыши в поле «File» и выбираем файл для записи на ПЛИС (находиться в папке output_files нашего проекта), ставим галочку в поле «Program / Configure», и нажимаем кнопку «Start».

Рис. 13 - Окно Programmer, наш чип уже сконфигурирован

Поздравляю с первой конфигурацией ПЛИС! Диод D1 должен светиться, при нажатии key1 должен гаснуть (так как кнопка замыкает ножку с землей), далее мы с этим что-нибудь сделаем)

В ПЛИС для конфигурации используется оперативная память CRAM (Configuration RAM). Эта память распределена по всему кристаллу, значения, записанные в нее, управляют внутренним коммутационным полем, определяя структуру синтезируемого цифрового устройства. Как правило, в ПЛИС архитектуры FPGA эта память энергозависимая и при подаче питания на устройство требуется загрузить в нее значения из какого-либо внешнего (по отношению к кристаллу ПЛИС) носителя, часто для этих целей используется микросхема ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство), либо , а в случае стенда LESO2, загрузка осуществляется из компьютера.

Одной из важнейших характеристик ПЛИС является ее логическая емкость. Емкость определяет насколько сложные цифровые устройства можно синтезировать. Другими словами, логическая емкость показывает сколько всего поместится в кристалле. Если вам уже доводилось компилировать в Quartus II проект для ПЛИС, то должны были обратить внимание на итоговый отчет, где указывается какие ресурсы и в каком количестве использованы в проекте, а также указывается процентное соотношение от максимального. Основной ресурс ПЛИС – это логические элементы (Logic Elements). В ПЛИС EP4CE6E22C8, а именно такая использована в учебном стенде, таких элементов 6272. Это много или мало? Для того, чтобы ответить на это вопрос, следует рассмотреть, что же из себя представляет этот логический элемент.

Базовый логический элемент

Из булевой алгебры известно, что используя некий элементный базис, например элемент И-НЕ или ИЛИ-НЕ, можно реализовать любую логическую функцию. Однако использование лишь одного типа элемента не всегда оправдано технически, при синтезе сложных устройств большое количество элементов увеличит время прохождения сигнала и тем самым снизит быстродействие. Поэтому в ПЛИС структуры FPGA в качестве простейшего логического элемента используют более сложную структуру, представляющей собой соединение программируемого комбинационного устройства и D-триггера . На рисунке 1 показана упрощенная структура такого элемента.

Рисунок 1 – Обобщенная структура логического элемента (LE) ПЛИС

Ячейка имеет три логических входа DATAA, DATAB и DATAC, вход тактовых импульсов CLK и один выход LEOUT. В случае если от ячейки требуется работа в качестве только комбинационного устройства, то выходной мультиплексор коммутирует выход элемента LUT на выход всей ячейки, если выход должен быть регистровым, то сигнал с LUT защелкивается по сигналу синхронизации в D-триггер, выход которого через мультиплексор соединяется с LEOUT. Управляющий вход мультиплексора (на рисунке не показан) подключен к соответствующему биту конфигурационной памяти CRAM.

Если ни у кого не вызывает вопросов как работает триггер и мультиплексор , то с элементом, обозначенным на схеме как LUT , все несколько сложнее. Аббревиатура LUT расшифровывается как Look-Up Table или просто Lookup Table, что дословно можно перевести как "справочная таблица" или "таблица поиска". LUT – это больше, чем таблица, LUT – это скорее метод реализации функции, в котором непосредственное вычисление заменяется поиском по таблице готовых решений. Применительно к ПЛИС это позволяет реализовать любую логическую функцию в виде памяти SRAM, где адрес – это аргумент, а содержимое ячейки – значение. Таким образом, для того, чтобы описать логическую функцию трех переменных (в приведенном примере именно три переменные: DATAA, DATAB и DATAC) достаточно памяти на 8 ячеек. Требуемая таблица истинности хранится в виде маски (LUT-mask) в соответствущей ячейке CRAM. С помощью мультиплексоров выбирается нужное значение. Мультиплексорами управляют сигналы входных портов для построения k-входовой LUT (k-LUT), которая реализует любую логическую функцию из k переменных, требуется 2 k бит SRAM и 2 k-1 мультиплексоров. На рисунке ниже показана трехвходовая LUT.

Рисунок 2 – Устройство LUT

При таком подходе можно достаточно точно спрогнозировать время прохождения сигнала и оно не будет зависеть от реализуемой логической функции. Эта важная особенность делает возможным временной анализ схемы.

Хорошо! Используя логический элемент, показанный на рисунке 1, можно получить любую логическую функцию трех переменных и ее регистровый вариант. А как быть, если нам понадобится реализовать какой-либо триггер, отличный от D-триггера? Для реализации некоторых типов достаточно имеющегося комбинационного устройства (LUT) на входе D-триггера, но для реализации всех известных триггеров нам все же придется внести некоторые изменения в базовую схему. Во-первых, необходимо ввести обратную связь: для этого с выхода D-триггера подадим сигнал на один из входов LUT. Для того, чтобы достигнутый ранее функционал не пострадал, мы не имеем право занимать уже имеющиеся входа, заменим LUT на 4-х входовый. Во-вторых, увеличим функциональность самого D-триггера, добавим дополнительные линии управления: вход разрешения ENA (от английского "Enable" – "Включить") и вход асинхронного сброса ACLR (от английского "Asynchronous Clear" – "Асинхронная Очистка"). В результате получим схему пригодную для синтеза любых триггеров:

Рисунок 3 – Структура логического элемента (LE) с обратной связью

Существует особый широко распространенный класс логических функций, который подразумевает наличие двух выводов. Речь идет о сумматорах. На вход полного двоичного сумматора поступает два операнда и флаг переноса из младшего разряда, а на выходе сумма и перенос в следующий двоичный разряд. Так как арифметические задачи типичны для ПЛИС, для работы с переносом в базовом логическом элементе предусмотрен специальный канал.

Рисунок 4 – Структура логического элемента (LE) с каналом переноса

Фактически для переноса требуется ввести дополнительную LUT, как показано на рисунке 4, но для простоты восприятия комбинацию LUT будем рассматривать как один целый модуль.

Используя канал переноса, легко объединить ячейки для получения многоразрядного сумматора. На рисунке 5 показана схема 4-разрядного сумматора с последовательным переносом, построенная на четырех базовых логических элементах.

Рисунок 5 – Четырехразрядный сумматор

При разработке базовой логической ячейки решались две задачи: во-первых, синтезируемые устройства должны обладать максимальным быстродействием, во-вторых, использование ресурсов должно быть как можно более полным. В предыдущем примере, если требуется работа сумматора исключительно как комбинационной схемы, выходные мультиплексоры сигнал возьмут с выходов LUT, а вся цепочка триггеров окажется неиспользованной. В противоположность этому, при синтезе последовательного или параллельного регистра, все LUT будут по сути выполнять функцию проводника: соединять вход LE с входом D-триггера. Небольшое дополнение к схеме, даст возможность при необходимости использовать комбинационное устройство и триггер элемента раздельно для синтеза независимых модулей. Мультиплексор на входе триггера позволит выбирать источник сигнала: либо с входа DATAC, либо с выхода LUT. Кроме того, появляется возможность организовать дополнительный канал соединения триггеров соседних LE для увеличения быстродействия при построении последовательных регистров. На рисунке 6 показана схема получившегося логического элемента. Вход REGIN и выход REGOUT образуют выделенный канал для соединения триггеров, вход SLOAD (от английского "Synchronous Loading" – "Синхронная загрузка") управляет выбором источника сигнала для входа триггера.

Рисунок 6 – Структура логического элемента (LE) с возможностью разделения LUT и триггера

Базовый логический ПЛИС Cyclone IV

Рассмотренный элемент LE в том или ином виде присутствует в различных семействах ПЛИС, в нем может быть увеличено количество входов и сложность LUT, добавлены дополнительные соединения внутри LE и порты для интеграции в глобальную коммутационную сеть ПЛИС. Так, например, в топовом семействе Stratix IV в один элемент входит две шестивходовые LUT, два выделенных полных сумматора и четыре триггера! Однако, с практической точки зрения, для эффективной работы со стендом LESO2 нам целесообразно рассмотреть более подробно реализацию LE в семействах Cyclone, в частности в Cyclone IV.

На рисунке 7 показана схема логического элемента ПЛИС Cyclone IV.

Рисунок 7 – Логический элемента (LE) Cyclone IV

Также, как и в базовом логическом элементе, каждый триггер имеет вход данных, вход тактовых импульсов CLK, вход разрешения ENA и вход асинхронного сброса (очистки) ACLR. Добавился сигнал синхронной очистки SCLR (от английского "Synchronous Clear" – "Асинхронная Очистка"): если на этом входе появится логическая единица, то следующим тактовым импульсом в триггер будет записал логический ноль. Все это позволяет настроить программируемый триггер каждой LE на работу в режиме D, T, JK или RS триггера.

Комбинационное устройство по сравнению с базовой схемой получило некоторое усложнение. На входе C LUT мультиплексор выбирает источник сигнала, благодаря чему LUT может реализовывать логическую функцию четырех переменных, кроме того, в качестве переменной может быть использован флаг переноса или выход собственного триггера.

В Cyclone IV LUT может работать в двух режимах: нормальном и арифметическом. при компиляции автоматически выберет оптимальный режим для реализации требуемой функции. Нормальный режим предназначен для реализации основной логики и различных комбинационных функций. В этом режиме четыре входа LE (DATAA, DATAB, DATAC, DATAD) поступают на четыре входа LUT. Компилятор автоматически выбирает вход переноса CIN, вход DATAC или выход триггера (цепь обратной связи) в качестве одного из входов LUT. Арифметический режим подходит для синтеза сумматоров, счетчиков, аккумуляторов и компараторов (цепей сравнения). В этом режиме LUT представляет собой полный одноразрядный сумматор, включающий обработчик логики флага переполнения. Компилятор сам создает цепи переноса во время синтеза многоразрадных арифметических устройств.

Можно обратить внимание, что на рисунке логического элемента Cyclone IV отсутствует выходной мультиплексор, на самом деле он есть и не один. Но для того, чтобы понять логику их работы, нужно рассмотреть LE в контексте общей архитектуры ПЛИС.

Логические элементы LE объединяются в логические блоки LAB (Logic array blocks). В Cyclone IV каждый LAB содержит:

• 16 логических ячеек;
• сигналы управления LAB;
• цепи флага переноса LE;
• цепи каскадного объединения регистров;
• цепи локальных соединений.

Цепи локальных соединений передают сигналы между ячейками LE в одном LAB. Цепи объединения регистров соединяют выход регистра одного LE с входами регистров прилегающих ячеек LE. Компилятор Quartus II размещает связанную логику в LAB или в соседних LAB, позволяя использовать локальные цепи связи и связи регистров для увеличения производительности и эффективности размещения.

На цепи локальных соединений поступают сигналы со строк и столбцов глобального коммуникационного поля и с выходов ячеек LE, принадлежащих этому же блоку LAB. Соседние логические блоки, блок генератора с фазовой автоподстройкой частоты (PLL), ячейки памяти M9K RAM, встроенные умножители, расположенные с правой или левой стороны через специальные соединители, могут быть напрямую подключены к цепям локальных соединений LAB. Таким образом, любая ячейка LE может иметь соединение с шестнадшатью LE из своего блока (включая саму себя) и тридцатью двумя LE из LAB, расположенных слева или справа. Всего до 48-ми соединений! Такие непосредственные прямые соединения минимизируют использование глобальных маршрутов, обеспечивают большую гибкость при синтезе схемы и увеличивают общее быстродействие.

На рисунке 8 показана интеграция блока LAB в глобальную коммуникационную сеть ПЛИС.

Рисунок 8 – Структура соединений LAB в коммутационном поле ПЛИС

Каждый LE имеет три выхода, которые обеспечивают соединение с коммутационным полем ПЛИС. Эти выходы поступают на строки и столбцы глобальных соединительных трасс и на маршруты локальных соединений. Как и в базовом логическом элементе, LUT или триггер могут независимо управлять этими выходами.

Для того, чтобы можно было управлять всеми ячейками LE в пределах одного LAB одновременно, в логический блок встроена специальная логика и выделены особые линии – каналы управления. По таким каналам распространяются широковещательные (в пределах одного LAB) сигналы управления. Архитектура позволяет одновременно использовать до восьми управляющих сигналов:

• два тактовых сигнала (labclk1 и labclk2);
• два сигнала разрешения (labclkena1 и labclkena2);
• два сигнала асинхронного сброса (labclr1 и labclr2);
• сигнал синхронного сброса/очистки (synclr);
• сигнал синхронной загрузки (syncload).

Сигналы синхронной загрузки и сброса удобно использовать для синтеза различных счетчиков и регистров. Эти сигналы оказывают воздействие на все триггеры LE в пределах одного LAB.

На рисунке 9 показано подключение управляющих сигналов LAB и цепей локальных соединений к логической ячейке. Выводы LE соответствуют рисунку 7.

Рисунок 9 – Структура взаимодействия LE с сигналами управления

Каждый LAB имеет два тактовых сигнала и два сигнала разрешения. На уровне логического элемента выбирается какой сигнал будет подан на триггер, но тактовый сигнал связан с сигналом разрешения. Поэтому, хотя для любого LE в конкретной LAB можно выбрать какой тактовый сигнал использовать: labclk1 или labclk2, вместе с ним должен использоваться соответствующий сигнал разрешения. Например, если используется labclk1, вместе с ним будет использоваться только labcken1. Если LAB использует оба фронта (нарастающий и падающий) тактового сигнала, то будут задействованы оба канала тактирования, при этом логика выбора усложнится.

Chip Planer

После компиляции в окне Flow Summary можно посмотреть, какие ресурсы были использованы. После небольшого экскурса в архитектуру ПЛИС становился понятно, что значит Total logic elements и почему Total combinational function вынесено отдельной графой. Безусловно информация полезная, но для того, чтобы держать руку на пульсе этого явно недостаточно.

Рисунок 10 – Отчет компиляции

Для визуального контроля используемых ресурсов в Quartus II применяется утилита Chip Planer . Она показывает расположение и использование элементарных блоков в общей архитектуре целевой ПЛИС. Запустить Chip Planer можно из среды Quartus: меню Tools -> Chip Planer. На карте кристалла (рисунок 11) показаны все ресурсы ПЛИС: LE, объединенные в LAB, аппаратные умножители (DSP block), ячейки памяти, буферы ввода вывода, генераторы PLL. Цветом показана степень использования: светлым – неиспользуемые блоки, темным – максимально загруженные. Если увеличить масштаб (соответствующий инструмент на панел или ctrl+колесико мышки), то доступна детализация на уровне LE, здесь синим показан LUT, темно красным – триггер.

Большую детализацию можно получить если на панели Layers Settings сменить Basic на Detailed. В этом режиме при приближении видны локальные и глобальные цепи соединений, глобальные линии управления и управляющие сигналы LAB.

Рисунок 11 – Карта ресурсов ПЛИС

Если в LE выделить LUT или триггер, то на панели Node Properties можно увидеть схему LE и описание свойств и режимов работы. Двойной клик мыши по LUT или триггеру запустит в новом окне инструмент Resource Property Editor, в котором можно исследовать соединения внутри логического элемента. Синим выделены используемые цепи.

Рисунок 12 – Логический элемент в Resource Property Editor

Вместо заключения

Это далеко не полное описание архитектуры ПЛИС, за кадром остались такие важнейшие элементы как DSP блоки (умножители), блоки оперативной памяти, генератор PLL, буферы ввода-вывода, в последующих статьях цикла я постараюсь уделить им должное внимание. Однако следующий материал будет посвящен применению знаний о структуре логического элемента LE и об их объединении при проектировании простейших цифровых устройств.

6. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ (ПЛИС)

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, Programmable Logic Device, PLD) - электронный компонент,

используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредствомпрограммирования (проектирования).

История развития ПЛИС начинается с программируемых постоянных запоминающих устройств (PROM – Programmable Read Only Memory). Первое время PROM использовались исключительно для хранения данных, позже их стали применять для реализации логических функций. Для реализации систем булевых функций с большим числом переменных были разработаны программируемые логические массивы ПЛМ (PLA – Programmable Logic Array) – наиболее традиционный тип ПЛИС, имеющий программируемые матрицы «И» и «ИЛИ». Примерами таких ПЛИС могут служить отечественные схемы K556PT1, PT2, PT21.

Построение PLA основано на том, что любая комбинационная функция может быть представлена в виде логической суммы (операция ИЛИ) логических произведений (операций И). Схема, реализующая комбинационную функцию, представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема построения PLA

Недостаток такой архитектуры - слабое использование ресурсов программируемой матрицы «ИЛИ», поэтому дальнейшее развитие получили микросхемы, построенные по архитектуре программируемой матричной логики (PAL - Programmable Array Logic) - это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу «И» и фиксированную матрицу «ИЛИ» (рис. 6.2). 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.

Рис. 6.2. Схема построения PAL

Совершенствование ПЛИС привело к появлению программируемой макрологики. Они содержат единственную программируемую матрицу «И- НЕ» или «ИЛИ-НЕ», но за счёт 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».

Вышеперечисленные архитектуры ПЛИС содержат небольшое число ячеек. К настоящему времени они морально устарели и применяются для реализации относительно простых устройств, для которых не существует готовых ИС средней степени интеграции. Для реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов они непригодны.

Дальнейшее усовершенствование технологии производства привело к возможности реализации на одном кристалле нескольких PAL, объединенных программируемыми соединениями. Подобные архитектуры получили название сложных (комплексных) программируемых логических

устройств (CPLD – Complex Programmable Logic Device) – это ПЛИС,

Рис. 6.3. Схема макроячейки CPLD

Микросхемы этого типа могут быть использованы для создания нестандартных АЛУ, дешифраторов, мультиплексоров и др., т.е. таких устройств, где требуется логические функции многих переменных и небольшое количество триггеров. ПЛИС типа CPLD, как правило, имеют высокую степень интеграции (до 10000 эквивалентных вентилей, до 256 макроячеек).

К этому классу относятся ПЛИС семейства MAX фирмы ALTERA, семейства XC9500 и CoolRunner фирмы XILINX, а также большое число микросхем других производителей (Atmel, Vantis, Lucent и др.).

Другой тип архитектуры ПЛИС – программируемые вентильные матрицы (FPGA – Field Programmable Gate Array Logic), состоящие из конфигурируемых логических блоков (КЛБ) и коммутирующих путей – программируемых матриц соединений (рис. 6.4). Конфигурируемые логические блоки таких ПЛИС состоят из одного или нескольких относительно простых логических элементов, в основе которых лежит таблица перекодировки (LUT – Look-up table), программируемые мультиплексоры, триггер, а также цепи управления. Характерными для FPGA-архитектур являются блоки ввода/вывода (IOB – input/output blocks),

позволяющие реализовать двунаправленный ввод/вывод, третье состояние и т. п.

Рис. 6.4. Структура FPGA

Таких простых элементов может быть достаточно много, например, у современных ПЛИС ёмкостью 1 млн. вентилей и более число логических элементов достигает нескольких десятков тысяч. За счёт такого большого числа логических элементов они содержат значительное число триггеров, а также некоторые семейства ПЛИС имеют встроенные реконфигурируемые модули памяти. Это 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.

К FPGA классу относятся ПЛИС семейства Spartan, Virtex фирмы

XILINX; Fusion, M1 и M7 Fusion и др. фирмы ACTEL, а также семейства Cyclone, Stratix фирмы ALTERA, ПЛИС фирм Atmel и Vantis.

6.1. Особенности программирования ПЛИС

Конфигурационные данные для CPLD хранятся в энергонезависимой памяти внутри ПЛИС, поэтому нет необходимости их

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2

перепрограммировать при включении. Программа для конфигурации FPGA хранится в распределённой энергозависимой оперативной памяти микросхемы, которая при выключении питания стирается, поэтому файл конфигурации хранится во внешней памяти, и при включении питания файл конфигурации загружается в память ПЛИС. Для хранения файла конфигурации используются, как правило, перепрограммируемое ПЗУ

(EPRM, EEPROM или FLASH).

При работе в подобных системах конфигурация схемы, которая должна быть получена «внутри» ПЛИС или алгоритм ее работы задается либо на текстовом языке описаний: VDHL (V ery high speed integrated circuitsH ardwareD escriptionL anguage – язык описания аппаратуры высокоскоростных интегральных схем), Verilog, ADHL (A lteraH ardwareD escriptionL anguage), напоминающем язык программирования высокого уровня (например Си); либо в графическом редакторе (в виде электрической схемы); либо при помощи блок-схем алгоритмов или графа состояний. Далее, все этапы работы, включая программирование или загрузку ПЛИС, выполняет автоматизированная система проектирования. Такие системы выпускают как все ведущие производители ПЛИС

(www.actel.com) ACTEL, (www.altera.com) ALTERA, (www.xilinx.com) XILINX, так и другие компании.

7. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И

7.1 Принципы построения цифро-аналоговых преобразователей

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) представляет собой устройство для преобразования числовых кодов в эквивалентные им значения напряжения или тока. Схемы ЦАП строятся с использованием как цифровых, так и аналоговых элементов (операционных усилителей, ключей, резистивных матриц и т.п.). Большинство ЦАП, выполненных в виде интегральных схем, представляют собой устройства параллельного типа. Их работа основана на суммировании токов, величины которых пропорциональны весовым коэффициентам разрядов входного кода.

Схема 4-разрядного ЦАП приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Принцип построения схемы ЦАП

Она включает в себя резистивную матрицу, источник опорного напряжения U R , операционный усилитель и переключателиS 0 − S 3 .

Сопротивления резисторов матрицы таковы, что протекающие через резисторы токи соответствуют весовым коэффициентам разрядов числа

D = d 3 d 2 d 1 d 0 . Положение контактов переключателей зависит от значенийd i . Еслиd i = 0 , то ток, протекающий через резистор матрицы под действием опорного напряженияU R , замыкается на общий провод.

При d i = 1 ток резистора черезS i . течет к схеме суммирования

токов, выполненной на операционном усилителе с параллельной обратной связью по напряжению. Узел суммирования имеет практически нулевой

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2

потенциал относительно общего провода, поэтому выходное напряжение можно записать следующим образом:

U 0= − R R 0 U R (2 3 d 3+ 2 2 d 2+ 2 1 d 1+ 2 0 d 0) .

Для увеличения разрядности ЦАП необходимо добавить соответствующее количество резисторов и переключателей.

Изготовление высокоточных резисторов для матриц сопряжено с трудностями, особенно в случае многоразрядных ЦАП (значения сопротивлений резисторов находятся в широком диапазоне - от R до

R 2 n − 1 , но требования к абсолютной точности установления

сопротивлений одинаковы для всех резисторов). Поэтому часто используют матрицу сопротивлений типа R − 2R (рис. 7.2).

Рис. 7.2. ЦАП с матрицей типа R – 2R

Весовые коэффициенты ступеней задаются последовательным делением опорного напряжения. Коэффициент ослабления каждой ступени матрицы равен двум. Выходное напряжение ЦАП равно:

U 0=− 16 R 0 R U R (2 3 d 3+ 2 2 d 2+ 2 1 d 1+ 2 0 d 0) .

В качестве электронных переключателей в схемах ЦАП часто используют МОП-транзисторы (рис.7.3). Находят применение также токовые ключи на биполярных транзисторах.

Рис. 7.3. 4-разрядный ЦАП:

а – фрагмент схемы с МОП-ключами, б – УГО

Примеры ИС:

К572ПА1 - 10-разрядный ЦАП. ИС содержит прецизионную матрицу типаR − 2R , ключи на МОП-транзисторах, входные усилителиинверторы, а также резистор для цепи обратной связи операционного усилителя. Для преобразования суммарного тока в напряжение необходимо подключение операционного усилителя. Требуется также внешний источник опорного напряжения.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2

7.2. Принципы построения аналого-цифровых преобразователей

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет собой устройство для преобразования напряжения в соответствующий ему числовой код. Операции, выполняемые в процессе аналого-цифрового преобразования, описаны во введении . Ниже рассматриваются только схемотехнические аспекты построения АЦП.

По способу преобразования можно разделить АЦП на параллельные

и последовательные.

В параллельных АЦП входное напряжение одновременно сравнивается со всеми пороговыми уровнями шкалы квантования (рис. В.1. ). В результате сравнения находится ближайший уровень квантования, номер которого с помощью шифратора выражается в двоичном коде. Схема, представляющая собой 3-разрядный параллельный АЦП, показана на рис. 7.4. Источник опорного напряжения и набор резисторов позволяют сформировать напряжения, равные пороговым уровням.

Опорное напряжение в (2n -1) = 7 раз превышает значение шага квантованияU S . Если, например, входное напряжение находится в

диапазон от (4+ 1 2 ) U S до,(5+ 1 2 ) U S оно должно быть представлено

уровнем квантования, равным 5U S , и, соответственно, двоичным кодом 101. Формирование выходного кода происходит следующим образом. При заданном значенииU I на выходах шести компараторов устанавливаются

интервал дискретизации, выходные сигналы компараторов заносятся в регистр. Для формирования кода номера уровня квантования используется приоритетный шифратор. Выходной код шифратора определяется активизированным входом с наивысшим номером (в рассматриваемом

примере это X 5 ).

Рис. 7.4. Параллельный АЦП: а – схема, б - УГО

Пример ИС :

К1107ПВ1 - 6-разрядный параллельный АЦП. ИС изготавливается по биполярной технологии. Максимальная частота дискретизации - 20 МГц.

В последовательных АЦП входное напряжение последовательно уравновешивается набором (суммой) эталонов, значения которых кратны шагу квантования. Разновидностью таких преобразователей является АЦП

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2

последовательного счета. Его работа основана на подсчете числа суммирований шага квантования, необходимого для получения значения входного напряжения. Схема АЦП последовательного счета показана на рис. 7.5. Она состоит из n -разрядного реверсивного счетчика, компаратора иn -разрядного цифро-аналогового преобразователя, включенного в цепи обратной связи.

Рис. 7.5. АЦП последовательного счета

С помощью компаратора сравниваются входное напряжение U I и выходное напряжение ЦАПU O . ЕслиU I > U O , то на выходе компаратора единичный уровень и счетчик работает в режиме суммирования тактовых импульсовC . Благодаря этому напряжениеU O стремится кU I . Когда они сравниваются,n -разрядный выходной кодD будет представлять входное напряжение АЦП. ЕслиU I < U O то счетчик работает в вычитающем режиме. Таким образом, напряжениеU O , а следовательно, и выходной код, отслеживают выходное напряжениеU I Для того, чтобы

предотвратить колебания сигнала реверсирования U /D после завершения процесса отслеживания, можно дополнить схему АЦП устройством

блокировки счетчика при U I − U O < U S 2 .

Схема АЦП, показанного на рис. 7.5, очень проста. Но при скачках входного напряжения процесс отслеживания может занять до 2n тактов (периодов импульсовC ). Ускорение преобразования достигается в АЦП поразрядного взвешивания. Его схема похожа на схему рис. 7.5, только счетчик заменяется регистром с устройством управления. Работа АЦП поразрядного взвешивания происходит следующим образом. Сначала все разряды регистра устанавливаются в нулевое состояние. Затем в старший разряд регистра вводится 1. При этом на выходе ЦАП

устанавливается напряжение U O = 2n − 1 U S , равное половине всего2 n − 2) ,

то d n − 2 = 1

Если нет,

d n − 2 = 0 .

После n

этапов процесс уравновешивания заканчивается и на выходе регистра устанавливается кодовая комбинация, представляющая входное напряжение АЦП. Для того, чтобы во время преобразования напряжение

U I не изменялось, на входы компаратора ставится схема выборкихранения.

Известны и другие последовательные АЦП, например, АЦП, работающие по методу интегрирования.

Примеры ИС :

К572ПВ1 - 12-разрядный АЦП поразрядного взвешивания. ИС изготавливается по КМОП-технологии. Используется с внешним операционными усилителями и источником опорного напряжения. Типовое время преобразования - 110 мксек.

К1113ПВ1 - 10-разрядный АЦП поразрядного взвешивания. ИС изготавливается по биполярной технологии и содержит все функциональные узлы АЦП, включая источник опорного напряжения и генератор тактовых импульсов. Выходные каскады выполнены по схеме с тремя состояниями. Время преобразования - не более 30 мксек.

Сопоставляя параллельные и последовательные АЦП, можно отметить следующее. Параллельные АЦП являются схемами быстродействующими, но их реализация требует больших аппаратурных затрат (6-разрядный АЦП содержит 64 компаратора). АЦП последовательного счета имеют самую простую схему, но работают сравнительно с низкочастотными напряжениями. АЦП поразрядного взвешивания занимают по показателям сложности и быстродействию промежуточное положение. Сочетание схем параллельных и последовательных АЦП позволяет построить большое число вариантов преобразователей с различными параметрами и разнообразными функциональными возможностями.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 2

ЛИТЕРАТУРА

1. Гласман К.Ф., Покопцева М.Н. Цифровые устройства и микропроцессоры. Учебное пособие для студентов специальности 210312 «Аудиовизуальная техника». Часть 1. – СПб.: СПбГУКиТ, 2008.

2. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. – М.: Мир, 2001.

3. Новиков Ю., Скоробогатов П. Основы микропроцессорной техники: Курс лекций. – М.: ИНТУИТ.РУ, 2003.

4. Белов А. Самоучитель по микропроцессорной технике. – М.: Наука и техника, 2003.

5. Новожилов О.П. Основы цифровой техники: Учебное пособие. – М.: Радио Софт, 2004.

6. Угрюмов Е. Цифровая схемотехника от логического элемента до перспективных БИС/СБИС с программируемыми структурами. – СПб.: БХВ – Петербург, 2004.

7. Бойко В. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства.

– СПб.: БХВ – Петербург, 2004.

8. Бойко В. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры. – БХВ – Петербург, 2004.

9. Нарышкин А.К. Цифровые устройства и микропроцессоры. – М.: Изд. центр «Академия», 2004.

10. Уилкинсон Б. Основы проектирования цифровых схем. – Киев.: Вильямс, 2004.

11. Фрике К. Вводный курс цифровой электроники. – М.: Техносфера, 2004.

12. Опадчий Ю.А. Аналоговая и цифровая электроника. Учебник для ВУЗов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005.

13. Точчи Р. Уидмер Н. Цифровые системы. Теория и практика. – Киев.: Вильямс, 2004.

14. Алексеева Л.А., Буль М.П., Гласман К.Ф., Покопцева М.Н.. Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 201400 «Аудиовизуальная техника» по курсу «Цифровые устройства и микропроцессоры». – СПб.: СПбГУКиТ, 2002.

Altera-Cyclone and Arduino

Суть вопроса. Разница между ПЛИС и микроконтроллером

Каждый начинающий микропрогер на определенном этапе своего развития задается вопросом в чем же разница между ПЛИС (фирм Altera или Xilinx) и микроконтроллером (микропроцессором)?

Читаешь форумы — знатоки дела пишут, что это совершенно разные вещи, которые нельзя сравнить, аргументируя это тем, что у них разная архитектура . Читаешь мануал по Verilog или C++ — и тот и другой используют похожие операторы со схожим функционалом, даже синтаксис похож, а почему разные? Заходишь на марсоход — там светодиодами (или даже просто лампочками) с помощью FPGA моргают, смотришь проекты на Arduino — там роботами управляют. СтОп!

А вот теперь остановимся и спросим себя: почему с ПЛИС — тупо лампочка, а Ардуино — умно робот? Ведь и первый и второй вроде как программируемое устройство, неужели у ПЛИС возможностей для робота не хватает?

В какой-то степени суть вопроса «В чем разница между ПЛИС и микроконтроллером ?» раскрывается именно на таком примере.

Отметим сразу. Функционал ПЛИС изначально не уступает микроконтроллеру (и микропроцессору, кстати, тоже), точнее — основные функции у одного и второго по сути идентичны — выдавать логические 0 или 1 при определенных условиях, а если говорить о быстродействии, количестве выводов(ножек) и возможностях конвейерной обработки, то микроконтроллеру до ПЛИС а вообще далеко. Но есть одно «но». Время на разработку одного и того же программного алгоритма на двух разных устройствах (ПЛИС и микроконтроллер ) различается в разы, а то и в десятки раз. Именно ПЛИС здесь в 99% случаев сильно уступает МК. И дело вовсе не в замороченности языков Verilog , VHDL или AHDL , а в устройстве самой ПЛИС .

О взаимодействии программного языка с архитектурой ПЛИС и микроконтроллера

FPGA : в ПЛИС и нет сложных автоматизированных цепочек(делающих часть работы за вас). Есть только железные проводные трассы и магистрали, входы, выходы, логические блоки и блоки памяти. Среди трасс есть особый класс — трасса для тактирования(привязанная к определенным ножкам, через которые рекомендуется проводить тактовую частоту).

Основной состав:

Трасса — металл, напаянный на слои микросхемы, является проводником электричества между блоками.

Блоки — отдельные места в плате, состоящие из ячеек. Блоки служат для запоминания информации, умножения, сложения и логических операций над сигналами вообще.

Ячейки — группы от нескольких единиц до нескольких десятков транзисторов.

Транзистор — основной элемент ТТЛ логики.

Выводы (ножки микросхемы) — через них происходит обмен ПЛИС с окружающим миром. Есть ножки специального назначения, предназначенные для прошивки, приема тактовой частоты, питания, а так же ножки, назначение которых устанавливаются пользователем в программе. И их, как правило, гораздо больше, чем у микроконтроллера .

Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается большая часть работы ПЛИС .

Архитектура ПЛИС. Взаимосвязь составляющих элементов

Трассы подключаются к блокам с помощью специальных КМОП-транзисторов. Эти транзисторы способны сохранять свое состояние(открытое или закрытое) на протяжении длительного периода времени. Изменяется состояние транзистора при подаче сигнала по определенной трассе, которая используется только при программировании ПЛИС . Т.е., в момент прошивки осуществляется именно подача напряжения на некоторый набор КМОП-транзисторов. Этот набор определяется прошивочной программой. Таким образом происходит сложное построение огромной сети трасс и магистралей внутри ПЛИС , связывающей сложным образом между собой огромное количество логических блоков. В программе вы описываете какой именно алгоритм нужно выполнять, а прошивка соединяет между собой элементы, выполняющие функции, которые вы описываете в программе. Сигналы бегают по трассе от блока к блоку. А сложный маршрут задается программой.

Архитектура ПЛИС (FPGA)

Архитектура Микроконтроллера

В этом элементе ТТЛ логики все операции по обработкам отдельных сигнальчиков проводятся независимо от вас. Вы лишь указываете что делать с тем или иным набором принятых сигналов и куда выдавать те сигналы, которые нужно передать. Архитектура микроконтроллера состоит совсем из других блоков, нежели ПЛИС . И связи между блоками осуществляются по постоянным магистралям(а не перепрошиваемым). Среди блоков МК можно выделить основные:

Постоянная память (ПЗУ) — память, в которой хранится ваша программа. В нее входят алгоритмы действий и константы. А так же библиотеки(наборы) команд и алгоритмов.

Оперативная память (ОЗУ) — память, используемая микроконтроллером для временного хранения данных(как триггеры в ПЛИС ). Например, при вычислении в несколько действий. Допустим, нужно умножить первое пришедшее число на второе(1-е действие), затем третье на четвертое(2 действие) и сложить результат(3 действие). В оперативную память при этом занесется результат 1 действия на время выполнения второго, затем внесется результат 2 действия. А затем оба этих результата пойдут из оперативной памяти на вычисление 3 действия.

Процессор — это калькулятор микроконтроллера . Он общается с оперативной памятью, а так же с постоянной. С оперативной происходит обмен вычислениями. Из постоянной процессор получает команды, которые заставляют процессор выполнять определенные алгоритмы и действия с сигналами на входах.

Средства (порты) ввода-вывода и последовательные порты ввода-вывода — ножки микроконтроллера , предназначенные для взаимодействия с внешним миром.

Таймеры — блоки, предназначенные для подсчета количества циклов при выполнении алгоритмов.

Контроллер шины — блок, контролирующий обмен между всем блоками в микроконтроллере . Он обрабатывает запросы, посылает управляющие команды, организовывает и упорядочивает общение внутри кристалла.

Контроллер прерываний — блок, принимающий запросы на прерывание от внешних устройств. Запрос на прерывание — сигнал от внешнего устройства, информирующий о том, что ему необходимо совершить обмен какой-либо информацией с микроконтроллером .

Внутренние магистрали — трассы, проложенные внутри микроконтроллера для информационного обмена между блоками.

Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается вся работа микроконтроллера .

Взаимосвязь составляющих блоков микроконтроллера

В микроконтроллере , в отличии от ПЛИС , работа происходит между вышеперечисленными блоками, имеющими сложную архитектуру , облегчающую процесс разработки программ. При прошивке вы изменяете только постоянную память, на которую опирается вся работа МК.

Основное отличие ПЛИС и микроконтроллера

ПЛИС прошивается на уровне железа, практически по всей площади кристалла. Сигналы проходят через сложные цепочки транзисторов. Микропроцессор же прошивается на уровне программы для железа, сигналы проходят группами, от блока к блоку — от памяти к процессору, к оперативной памяти, от оперативной к процессору, от процессору к портам ввода-вывода, от портов ввода-вывода к оперативной памяти, от оперативной памяти… и так далее. Вывод: за счет архитектуры ПЛИС выигрывает в быстродействии и более широких возможностях конвеерной обработки, МК выигрывает в простоте написания алгоритмов. За счет более простого способа описания программ, фантазия разработчика Микроконтроллера менее скованна временем на отладку и разработку, и, таким образом, время на программирование того же робота на МК и ПЛИС будет отличаться во многие и многие разы. Однако робот, работающий на ПЛИС будет гораздо шустрее, точнее и проворнее.

Железо и программа.

В ПЛИС всю работу нужно делать самому, вручную: для того, чтобы реализовать какую-либо программу на ПЛИС , нужно отследить каждый сигнальчик по каждому проводку, приходящему в ПЛИС , расположить какие-то сигнальчики в ячейки памяти, позаботиться о том, чтобы в нужный момент именно к этим ячейкам памяти обратился другой сигнальчик, который вы так же отслеживаете или даже генерируете, и в итоге набор сигнальчиков, задержанный в памяти задействовал нужный вам сигнальчик, который, например, пойдет на определенную выходную ножку и включит светодиодик, который к ней подключен. Часть сигнальчиков идет не в память, а например на запуск определенной части алгоритма(программы). То есть, говоря языком микропрогера, эти ножки являются адресными. Например, имеем на нашей плате в нашей программе три адресные ножки для включения неких не связанных(или связанных) друг с другом алгоритмов, которые мы реализовали на языке Verilog в ПЛИС . Также в программе, кроме трех адресных ножек, у нас есть еще например 20 информационных ножек, по которым приходит набор входных сигнальчиков(например с разных датчиков) с какой-либо информацией (например температура воды в аквариуме с датчика температуры воды в аквариуме). 20 ножек = 20 бит. 3 ножки -3 бита. Когда приходит адресный сигнал 001(с трех ножек адреса) — запускаем первый алгоритм, который записывает 20 информационных сигнальчиков в 20 ячеек памяти(20 триггеров), затем следующие 20 сигнальчиков умножаем на полученные ранее 20, а результат умножения записываем в память, а потом отсылаем по другим ножкам например в терморегулятор воды в аквариуме. Но Отошлем мы этот результат только тогда, когда на наши адресные ножки придет код например 011 и запустит алгоритм считывания и передачи. Ну, естественно «отсылаем», «считываем» и еще что-то прописываем в ручную. Ведем каждый сигнальчик в каждый такт работы ПЛИС по определенному пути, не теряем. Обрабатываем или записываем. Складываем или умножаем. Не забываем записать. Не забываем принять следующий сигнал и записать в другие триггеры. Еще добавьте сюда работу, привязанную к тактовой частоте, синхронизацию (которая так же реализуется вручную), неизбежные ошибки на этапах разработки и отладки и кучу других проблем, которые в данной статье рассматривать просто бессмысленно. Трудно. Долго. Но зато на выходе работает супер оперативно, без глюков и тормозов. Железно!

Теперь микроконтроллер . 20 ножек на прием информации — для большинства микроконтроллеров физически невозможная задача. А вот 8 или 16 — да пожалуйста! 3 информационных — в легкую! Программа? По адресу 001 умножить первое пришедшее число на второе, по адресу 011 отсылай результат в терморегулятор. Все! Быстро. Легко. Не супер, но оперативно. Если очень грамотно написать программу- без глюков и тормозов. Программно!

Железо и Программа! Вот главное отличие между ПЛИС и Микроконтроллером .

В микроконтроллере большинство замороченных, но часто используемых алгоритмов уже вшиты железо(в кристалл). Нужно лишь вызвать программным способом нужную библиотеку, в которой этот алгоритм хранится, назвать его по имени и он будет делать всю грязную работу за вас. С одной стороны это удобно, требует меньшего количества знаний о внутреннем устройстве микросхемы. Микрик берет на себя заботу об отслеживании принятых, генерируемых и результирующих сигналов, об их складировании, обработке, задержке. Все делает сам. В большинстве микропрогерских задач это то, что нужно. Но если безграмотно использовать все эти удобства, то возникает вероятность некорректной работы. Железо и Программа!

Заключение

Современные разработчики процессоров и микропроцессоров изначально разрабатывают свои устройства на ПЛИС . Да-да, вы правильно догадываетесь: сначала они имитируют создаваемую архитектуру микроконтроллера с помощью разработки и прошивки программы на ПЛИС , а затем измеряют скорость выполнения алгоритмов при том или ином расположении имитируемых блоков МК и том или ином наборе функционала каждого блока отдельно.

По характеристикам выдаваемого сигнала, ПЛИС чаще всего рассчитана на 3,3В, 20мА, Микроконтроллер на 5В, 20мА.

Под микроконтроллер AVR, успешно внедренный в платформу Arduino, написано множество открытых программ, разработано великое множество примочек в виде датчиков, двигателей, мониторчиков, да всего, чего только душе угодно! Arduino в настоящее время больше похож на игровой конструктор для детей и взрослых. Однако не стоит забывать, что ядро этого конструктора управляет «умными домами», современной бытовой электроникой, техникой, автомобилями, самолетами, оружием и даже космическими аппаратами. Несомненно, такой конструктор будет являться одним из лучших подарков для любого представителя сильной половины человечества.

В принципе, все просто!

Остались вопросы? Напишите комментарий. Мы ответим и поможем разобраться =)