Начну свою первую статью с того, что сообщу: в предмете статьи я сам новичок, но выбрал именно такую тему. Объясню почему. Читаю хабр уже достаточно долго и мне всегда были интересны топики тех, кто сам в настоящий момент изучает то, о чем повествует. Такие статьи всегда понятны, всегда находят свою аудиторию и всегда предают читающему интерес и энтузиазм автора, который у новичков в любой области обычно зашкаливает!

ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема) – один из видов электронных устройств, применяемый для реализации различных логических устройств самой разной сложности, от двоичных счетчиков, несложных логических схем (замены стандартных интегральных схем - рассыпухе) до специализированных процессоров и нейрочипов.

С назначением разобрались, вопрос – как? Внутри ПЛИС находятся некие базовые элементы, которые соединяются на основе конфигурационной записи. Возможные базовые элементы, вид и место хранения конфигурационной записи зависят от вида ПЛИС и от конкретной модели. В современных ПЛИС выделяют два вида: CPLD и FPGA, уделим им по абзацу.

CPLD (complex programmable logic device - сложные программируемые логические устройства) - ПЛИС, базовыми элементами которой являются макроячейки и простые логические вентили (И(-НЕ)/ИЛИ(-НЕ)). Обычно содержит меньше базовых элементов, чем FPGA, но является более быстродействующей. Также обычно содержит энергонезависимую конфигурационную память прямо на кристалле, но имеет ограниченное число циклов конфигурирования.

FPGA (field-programmable gate array - Программируемая пользователем вентильная матрица) – ПЛИС, которые обычно имеют целый букет видов базовых блоков, это и настраиваемые логические элементы (таблицами истинности) и блоки сложения-умножения (Digital signal processing - DSP) и PLL (Phase-Locked Loop) для деления и умножения частоты и некоторые другие в зависимости от модели. Обычно имеют энергозависимую внутреннюю память и функционал для загрузки конфигурации с внешней энергонезависимой памяти.

Определения этих видов ПЛИС и разницы между ними можно встретить самые различные, как в книгах, так и в интернете. Поэтому не стоит зацикливаться на этой разнице, производители сами классифицируют выпускаемые ими ПЛИС. Если вы не запомнили аббревиатур или не поняли значений некоторых слов – не страшно, главное чтобы появилось общее понятие о ПЛИС, надеюсь я этого добился. А теперь к практике!

Начнем с обсуждения инструментов. Я буду пользоваться стартовым набором разработчика Altera Cyclone II FPGA Starter Board, это готовая плата, на которой установлена FPGA серии Cyclone II – EP2C20F484C7N, а также различная периферия и интерфейсы. В этой статье мы используем светодиоды и семисегментные индикаторы. Мы не будем использовать никаких специальных блоков данной серии FPGA, поэтому при желании вы можете использовать почти любую другую ПЛИС (FPGA и CPLD).

Сильно заинтересовавшиеся могут купить себе один из наборов разработчика или самим собрать устройство, что является достаточно сложной для новичка, но вполне выполнимой задачей. Схемы программаторов и схемы подключения самих ПЛИС легко гуглятся, к тому же, кто ранее занимался любительской прошивкой AVR, может обнаружить у себя подходящий программатор Altera Byte Blaster. В общем, схемную реализацию я предоставляю тебе хабраюзер (В конце статьи схема моей Starter Board). Кто хочет попробовать без денежных затрат и увидеть результат работы – можно использовать встроенный в Quartus II симулятор (в этой статье работа с ним не описана).

Из ПО мы будем использовать Quartus II, free версию которого вы сможете найти на сайте производителя (Altera), как в Windows, так и в Linux вариантах.

И вот мы подошли к практике вплотную! Запускаем наш САПР Quartus II и создаем проект. Первыми шагами визарда указываем имя проекта и его место дислокации, затем пропустим шаг добавления файлов (еще успеем). Закончим создание проекта на этапе выбора устройства, если делаем на железяке – точно знаем имя ПЛИС, его и выбираем. Если просто делаем проект для ПЛИС выберем что-нибудь помощней, например третий циклон. Я же выбираю FPGA которая установлена в моем стартер ките.

Жмем Finish – проект создан. Структура проекта в Quartus – иерархическая, нам необходимо выбрать верхушку иерархии (Top-Level Entity). Мы можем использовать для проектирования схемные файлы и файлы с описанием логики на одном из HDL (Hardware description language – язык описания аппаратуры). Мое мнение – наглядней всего в качестве верхушки иерархии использовать схемный файл с основными блоками логики, а сами блоки реализовывать на HDL. Мнения могут быть разными, пока выбирал, прочитал немало холиварных тем, но остановился пока на такой модели, вы можете сделать свой выбор. В качестве HDL языка проекта я выбрал VHDL ((Very high speed integrated circuits) Hardware Description Language), вы можете использовать любой другой, например Verilog или AHDL, все зависит от ваших предпочтений.

Создаем наш первый файл проекта (File – New..) выбираем Block Diagram/Schematic File. Теперь давайте нарисуем простейшую схему, добавим один Input, один Output и соединим их (в реальной ПЛИС эта схема будет передавать сигнал с одной ножки на другую). Для этого Double Click на пустом месте схемы и в открывшемся диалоге Symbol выбираем необходимый элемент.

Соединяем просто так, линией. Дадим пинам имена (Double Click по элементам), input назову CLOCK_27, а output назову LEDR. Имена выбраны не случайно – CLOCK_27 я затем ассоциирую с входом генератора 27Mhz, а LEDR с нулевым красным светодиодом. Сохраняем файл, оставив галочку добавления в проект. Теперь установим полученный файл вершиной иерархии проекта. Для этого окне Project Navigator, во вкладке Files, в контекстном меню нашего файла выбираем Set as Top-Level Entity. Hello, world готов. Компилируем проект (Processing – Start Compilation), если видим Info: Quartus II Full Compilation was successful. – радуемся и считаем, что первый этап пройден.

Теперь разберемся с нашими целями. Наше устройство будет при включении питания начинать отсчет минут и часов. Значит нам понадобится четыре семисегментных индикатора «ЧЧ: ММ». Для отсчета времени нам нужен более-менее точный сигнал 1Hz. Его мы получим путем деления частоты 27Mhz, затем мы будем отсчитывать его на 60 (секунды), потом еще раз на 60 (минуты), а потом на 24 (часы). С последних двух блоков двоичное число минут и часов будет поступать на декодер Bin -> BCD (binary-coded decimal) -> 7seg. Вот, в общем, и все устройство. Сразу оговорюсь, что схема будет асинхронная (Минуты заводятся от секунд, а часы от минут), для простоты и наглядности.

Итак, создадим наш первый блок - блок деления частоты. Создадим новый файл, как мы уже умеем, только тип файла будет VHDL File. Вставим в него код:

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

Entity Div_27Mhz_to_1Hz is
port(clk:in std_logic; clk_out:out std_logic);
end Div_27Mhz_to_1Hz;

Architecture div_behavior of Div_27Mhz_to_1Hz is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 27000000;
begin
then

If(cnt >= 13500000)
then
clk_out <= "1";
else
clk_out <= "0";
end if;

If(cnt = 27000000)
then
cnt:= 0;
else
cnt:= cnt + 1;
end if;

End if;
end process;
end div_behavior;

Пропущу служебные директивы (можно посмотреть в справочнике, ссылки в конце), уделю внимание только логике работы. Вначале мы объявляем сущность, т.е. сам блок. Указываем его входы и выходы, их типы и имена. Тип std_logic в простонародье значит бит. Далее мы описываем внутреннюю архитектуру этого блока. Архитектура состоит из параллельных процессов. Каждый процесс имеет свой список чувствительности, например единственный процесс в примере выше чувствителен к изменениям на входе clk. Для процесса можно объявить переменные, в нашем примере это переменная типа integer range 0 to 27000000. Далее в теле процесса задается элементарная логика: пока не прошла половина периода - пихаем в выход логический ноль, как половина прошла – пихаем единицу, при этом не забываем считать и обнулять счетчик по достижению 27000000. На идеальный код не претендую – пока учусь, буду рад поправкам:)

Сохраняем файл с кодом и создаем символ (File – Create/Update – Create Symbol Files For Current Files), это необходимо для того чтобы вставить данный блок в нашу главную схему. Найти свои символы можно в папке Project в диалоге вставки символа. Теперь пробежимся по остальным блокам менее подробно.

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

Entity cnt_0_to_59 is
port(clk:in std_logic; c59:out std_logic; vector:out std_logic_vector(5 downto 0));
end cnt_0_to_59;

Architecture cnt_behavior of cnt_0_to_59 is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 59;
begin
if(clk"event and clk = "1")
then
if(cnt = 59)
then
cnt:= 0;
c59 <= "1";
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6);
else
cnt:= cnt + 1;
c59 <= "0";
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6);
end if;
end if;
end process;
end cnt_behavior;

Это блок счета от нуля до 59, который мы используем для счета минут и секунд. Из новинок тут тип выхода std_logic_vector(5 downto 0), который определяет группу битов (битовый вектор), а также функция CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6), которая преобразует переменную в битовый вектор указанной длины.

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

For CONV_STD_LOGIC_VECTOR:
use ieee.std_logic_arith.all;

Entity cnt_0_to_23 is
port(clk:in std_logic; vector:out std_logic_vector(4 downto 0));
end cnt_0_to_23;

Architecture cnt_behavior of cnt_0_to_23 is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 23;
begin
if(clk"event and clk = "1")
then
if(cnt = 23)
then
cnt:= 0;
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 5);
else
cnt:= cnt + 1;
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 5);
end if;
end if;
end process;
end cnt_behavior;

Выше счетчик часов. Ничего нового.

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

For CONV_STD_LOGIC_VECTOR:
use ieee.std_logic_arith.all;

Entity bin2bcd_5bit is
port(bin:in std_logic_vector(4 downto 0);
bcd1:out std_logic_vector(3 downto 0);
bcd10:out std_logic_vector(3 downto 0)
);

End bin2bcd_5bit;

Architecture converter_behavior of bin2bcd_5bit is
begin
process(bin)
variable i: integer range 0 to 23;
variable i1: integer range 0 to 9;
begin
i:= conv_integer(bin);
i1:= i / 10;
bcd10 <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(i1, 4);
i1:= i rem 10;
bcd1 <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(i1, 4);
end process;
end converter_behavior;

Преобразователь Binary в BCD, по сути, просто разбивает одно бинарное число на два, каждое из которых представляет разряд десятичного числа. Из новинок – оператор rem, остаток от деления. Аналогично написан и преобразователь для шести бит, его приводить не буду.

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

Entity BCD_to_7seg is
port(
BCD:in std_logic_vector(3 downto 0);
seg:out std_logic_vector(6 downto 0)
);

End BCD_to_7seg;

Architecture conv_behavior of BCD_to_7seg is
begin
process(BCD)
begin
if BCD = "0000" then seg <= "0000001";--0
elsif BCD = "0001" then seg <= "1001111";--1
elsif BCD = "0010" then seg <= "0010010";--2
elsif BCD = "0011" then seg <= "0000110";--3
elsif BCD = "0100" then seg <= "1001100";--4
elsif BCD = "0101" then seg <= "0100100";--5
elsif BCD = "0110" then seg <= "0100000";--6
elsif BCD = "0111" then seg <= "0001111";--7
elsif BCD = "1000" then seg <= "0000000";--8
elsif BCD = "1001" then seg <= "0000100";--9
else seg <= "1001001";--err
end if;
end process;
end conv_behavior;

Преобразователь одного разряда в семисегментный код, реализованный простой таблицей истинности. Сам семисегментный код представляет собой битовое представление горящих сегментов на индикаторе в порядке abcdefg, в моем случае еще и инверсное.

Программирование микроконтроллеров

Ты ждал знак? Вот он!

Много лет я не решался начать программировать ПЛИС, потому что это сложно, дорого и больно (как мне казалось). Но хорошо, когда есть друзья, которые помогают сделать первый шаг. И теперь я не понимаю одного - ПОЧЕМУ Я ЖДАЛ ТАК ДОЛГО?

Сейчас я помогу сделать первый шаг и тебе!

А зачем оно мне?

Ты устал постоянно читать доки по своему МК или держать кучу информации в голове. Ты все переписал на asm, но скорости все равно не хватает. Ты подключил два внешних устройства к своему МК, подключаешь третье, но у тебя кончились прерывания, перестают работать те модули, что уже работали. Ты берешь другой МК, более мощный из той же линейки, но опять мануалы, регистры флагов, биты… ад. Меняешь платформу: переходишь на другой МК и выкидываешь на помойку свои знания по прежней платформе. Что бы ты не делал - оно дается тяжело. Ты находишь популярную платформу, в которой можно легко из компонентов собирать проект, но выше аппаратных ограничений данного МК все равно не удается прыгнуть… Где-то на краешке сознания иногда проскакивает мысль, что вот на ПЛИС это бы точно заработало быстро и параллельно, что это «именно та задача, которую бы надо решать на плис», но я стар/глуп/занят/etc чтобы суметь/начать такое делать.

Хочешь наконец вздохнуть свободно? Идем дальше!

Радость от разработки на ПЛИС

У меня был тяжелый рабочий день. С одной работы я приехал на вторую работу, потом на дачу, вечером домашние дела, уроки, потом семейный просмотр кино и только в 23 часа я оказался совершенно свободен! Сказать, что я был уставший - ничего не сказать. Но в таком состоянии я сел за ноут с твердой целью: сделать генератор меандра на 440 Гц. Прошло 20 минут и я уже слышал его в наушниках. Я не верил своим ушам! Еще 15 минут мне потребовалось, чтобы сделать ШИМ и менять громкость. К тому времени плата с ПЛИС у меня была всего с неделю и до этого я пролистал всего пару книг по Verilog.

В тот вечер я понял: ВОТ ОНО! Вот та платформа, в которой я быстро и легко могу превращать свои мысли в реально работающее железо!

Почему так?

Опишу плюсы, которые есть в изучении и применении ПЛИС, хотя их и так все знают:

• Универсальность знаний - при смене модели МК нужно читать доки. При смене производителя МК нужно читать доки. Нужно постоянно читать доки, постоянно держать в голове кучу информации. При разработке на ПЛИС, если знаешь Verilog или VHDL, то можно не только программировать любой ПЛИС из линейки одного производителя, но и при желании перейти на другого (Altera, Xilinx). Хоть и будут моменты с освоением другой среды разработки, тонких аппаратных моментов, но сама суть подхода проектирования устройств на HDL от этого не изменится.
• От идеи к железу - при разработке проекта, если тебе не хватает одного мк, то приходится выбирать другой. В принципе можно строить предположения справится или не справится этот МК с проектом. Либо есть какой-то конкретный МК и ты пытаешься туда вместить проект. Чаще всего именно так. Мне это чем-то напоминает подход моего деда, который делает лестницу из того, что есть в сарайке. Хотя можно спроектировать лестницу, купить досок, которые подойдут… От идеи к железу, а не наоборот.
• Простота применения чужих разработок - можно взять чужой модуль и применить его в своем проекте. По коду сможете понять, как он работает. Даже, если он для xilinx, а вы делаете под altera. Иногда это получается не сарзу, но это проще, чем, например, добавлять двоичные библиотеки к проекту на c++/Qt
• Независимость блоков. Блоки в HDL, как чистые фунции в ЯП. Зависят только от входных сигналов. Разработанный и отлаженный модуль в будет и дальше работать правильно, как бы не рос проект. Ничто снаружи не повлияет на правильность его работы изнутри. Да и вообще можно забыть, как он работает - это черный ящик. К тому же, блоки работают параллельно .

Проблема выбора

Сильно останавливают вопросы, что выбрать: Altera/Xilinx, Verilog/VHDL, какую отладочную плату взять. Но обо всем по порядку.

Производитель

Я выбрал Altera . Почему? Ну мы вот так с другом решили, хотя название Xilinx мне красивее. НО. Если ты сейчас не можешь выбрать, то я сделаю это за тебя. Тебе нужен Altera! Почему? Я не знаю. Сейчас важнее сделать шаг: сделать выбор. Я выбрал Altera и пока не пожалел.

Язык

Берем Verilog - потомучто … ну ты понял.

Отладочная плата

На выбор отладочной платы ушло больше всего времени. Понятно, что платы отличаются установленной микросхемой ПЛИС. А микросхемы ПЛИС отличаются друг от друга количеством элементов. Но совершенно не понятно, сколько их потребуется для твоих тестовых проектов. Поэтому большую часть времени я потратил на поиск всевозможных проектов на ПЛИС на предмет того, чтобы узнать, сколько они потребляют ресурсов ПЛИС.

В семействе Altera, за разумные деньги мы можем купить платы с CPLD MAX II на 240, 570 и 1270 элементов, либо более старшие микросхемы FPGA, которые Cyclone 1, 2, 3, 4 с количеством до 10000 и более ячеек. Как же выбрать?

Даже на базе 240 ячеек, проект Марсоход делает просто огромное количество проектов . Настоятельно рекомендую ознакомиться, чтобы иметь примерное представление о сложности проектов, которые можно уместить в 240 ячеек. С другой стороны, существуют проекты , которые полностью программируются под аппаратную копию определенного ПК, включая процессор и всю логику вокруг него (NES , Speccy , Orion , ЮТ-88 , etc). Для этого уже требуется пять, десять и более тысяч ячеек. Плюс эти платы содержат дополнительные внешние устройства.

Поэтому я бы посоветовать взять что-то среднее между 240 и 10000 ячейками, с предпочтением в сторону увеличения в зависимости от доступных средств. На отладочной плате лишние ячейки это не страшно, а если их не хватит - уже ничего не поделаешь. Потом, когда устройство отлажено, станет ясно, сколько надо ячеек, купить под нужное количество, без лишнего «обвеса», дешевле и оставить в готовом устройстве.

То, чем действительно отличаются MAX от Cyclone"ов, кроме количества ячеек, это:
1) У серии MAX внутри нет PLL. На каждой отладочной плате есть генератор, как правило на 50 МГц. Основной массе проектов этого будет достаточно. Все синхронизации будут происходить путем деления 50 МГц на какое-нибудь значение. Либо, можно взять внешний генератор и подать на отдельный вход ПЛИС. А что, если потребуется частота выше 50 МГц? Мне не удалось с ходу найти генераторы выше 50 МГц. Но тут как раз на помощь и приходит PLL, который встроен в Циклоны. На нем можно умножить частоту, например, до 100 МГц.
2) В серии Cyclone встроены аппаратные блоки умножения. Их количество зависит от конкретной модели - тут как раз можно «всетаки заглянуть в инструкции», чтобы узнать сколько. Если предполагаете делать какой-то ЦОС, то они пригодятся: сэкономят ячейки, увеличат скорость. С другой стороны, если нет умножителей, их можно синтезировать, но у маленькой ПЛИС на это может не хватить ресурсов.

Во всем остальном у меня критерий «влезло/не влезло». Отладка на заведомо бОльшей, чем нужно плате, с последующей заливкой в минимально необходимую для этого.

Сколько нужно денег?

Программатор
Я считаю, что у меня нет времени, чтобы паять программаторы на рассыпухе.

300 рублей. Я свой брал на ебее , выглядит так:

Отладочная плата
Выбор широкий, в зависимости от количества денег.

Начальный уровень 350 - 550 рублей. Это платы на MAX II ( или ячеек). Могут подойти для начального ознакомления и дальнейшего пристройства в конечные устройства. На плате есть генератор, пара кнопок, пара светодиодов, остальные 80 выводов на свое усмотрение.

Блок питания
Обязательно должен быть, но не всегда идет в комплекте. Потребуется БП на 5 вольт и ток 2А.

Средний уровень от 900 до 1500 рублей. Это платы Cyclone 1, 2, 3, 4 отличающиеся в основном количеством ячеек.
Маркируются примерно так:
EP2 C5 T144 - Cyclone 2 примерно 5к ячеек
EP4 CE6 E22C8N - Cyclone 4 примерно 6к ячеек
EP2 C8 Q208C8N - Cyclone 2 примерно 8к ячеек

Можно заметить, что Cyclone 3 может иметь больше ячеек, чем Cyclone 4.

Вот несколько вариантов:

835 рублей.
ALTERA FPGA CycloneII EP2C5T144 Minimum System Board for Learn good

880 рублей
Altera CycloneII EP2C5T144 FPGA Mini Development Learn Core Board E081

1265 рублей
EP2C8 EP2C8Q208C8N ALTERA Cyclone II FPGA Evaluation Development Core Board

Платы с расширенными возможностями . Это платы, на которых установлены дополнительные модули (UTP, USB, AUDIO), разъемы (SD, VGA), кнопки, переключатели, светодиоды, семисегментные индикаторы и т.д. Либо может идти базовая плата, а к ней могут прилагаться платы расширения отдельно.

У меня трудится такой комплект - плата + плата расширения:
Altrea EP4CE10E22 FPGA CORE Board+ Device Board USB/Sound/Ethernet/SD Card/VGA
2760 рублей

Вот основная плата. На ней есть 2 светодиода, 2 кнопки, 4 переключателя, семисегментный интикатор и микросхема оперативной памяти.

Плата расширения. На ней распаяны SD, VGA, а так же контроллеры USB(High Speed USB2.0 Chip: CY7C68013A), AUDIO(Sound Card up to 96kHz/32bit ADC/DAC: WM8731S), UTP(100M Ethernet interface: DM9000A):

Эти платы просто вставляются одна в другую, но у меня она пока лежит в ящике. Для своих поделок у меня макетка, с которой я соединяюсь шлейфом, который идет в комплекте. Еще в комплекте идет блок питания на 5 вольт.

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС , англ. 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 посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры Verilog, VHDL, AHDL и др. Альтернативой ПЛИС являются: базовые матричные кристаллы, требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC - специализированные заказные БИС (большие интегральные схемы), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже; специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, которые из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС. Некоторые производители ПЛИС предлагают программные процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой ПЛИС.

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) появились полтора десятилетия назад как альтернатива программируемым логическим матрицам (ПЛМ). От последних ПЛИС отличаются как по архитектуре, так и по технологии изготовления.

ПЛМ представляет собой матрицу многовходовых (несколько десятков входов) логических элементов с триггерами, в которых перемычками программируются конституанты единиц дизъюнктивных нормальных форм функций этих элементов. Вначале перемычки выполнялись в виде пережигаемых тонких проводников. Теперь перемычки выполняются в виде МОП-транзистора с плавающим затвором, как в электрически перепрограммируемом ПЗУ, т.е. ПЛМ изготовляются по технологии флэш-памяти. Большие ПЛМ (CPLD) отличаются только тем, что несколько ПЛМ собраны на одном кристалле и объединены программируемым полем связей.

ПЛИС представляет собой матрицу маловходовых (от двух до пяти входов) логических элементов, триггеров, отрезков линий связи, соединяемых перемычками из полевых транзисторов. Судя по английскому названию - Field Programmable Gate Array (FPGA) - ПЛИС программируются изменением уровня электрического поля (field) в затворах этих транзисторов. В отличие, например, от LPGA - Laser Programmable Gate Array. Затворы всех "программирующих" полевых транзисторов подключены к выходам триггеров одного длинного сдвигового регистра, который заполняется при программировании ПЛИС. Некоторые из участков этого регистра могут также выполнять роль ячеек ПЗУ.

Прошивка обычно хранится в ПЗУ, стоящем рядом с ПЛИС и после включения питания или по сигналу сброса она автоматически переписывается в программирующий сдвиговый регистр ПЛИС. Этот процесс называется конфигурированием ПЛИС. Так как основу ПЛИС составляют триггеры, хранящие прошивку, то ПЛИС изготавливаются по технологии микросхем статического ОЗУ.

По сравнению с CPLD, ПЛИС выигрывают, во-первых, в неограниченном количестве перепрограммирований, во-вторых, в логической емкости, в том числе в удельной емкости вентилей на цент, в-третьих, в малом энергопотреблении.

Как правило, ПЛИС имеют на два - три порядка большую емкость в числе эквивалентных логических вентилей, чем CPLD и также как статическое ОЗУ, почти не потребляют энергии при отсутствии переключений. Кроме того, у ПЛИС на порядок выше надежность (ниже интенсивность отказов), чем у CPLD.

К недостаткам относят необходимость внешнего ПЗУ прошивки, генератора синхросерии. Но 8-выводовое ПЗУ занимает на плате значительно меньше места, чем сама ПЛИС с многими сотнями выводов. То же касается генератора синхросерии. программирование интегральный электронный

Много сомнений у пользователей возникает с защитой проекта от копирования. Действительно, прошивка ПЛИС хранится во внешнем ПЗУ, содержимое которого просто копируется. Но изменить или расшифровать прошивку, например, для скрытия авторства или восстановления схемы, практически невозможно, так как семантика битов в файле прошивки - секрет фирмы, а неосторожное изменение ее может вывести ПЛИС из строя. Если требуется защита, то загрузку программы выполняют с помощью внешней CPLD, автомат в которой обеспечивает защиту проекта. В ПЛИС новых поколений предусматривается шифрование прошивки, например, с помощью встроенного шифрователя DES с обеспечением сохранения ключа с помощью батарейки.

Программируемые логические интегральные схемы - ПЛИС являются одними из самых перспективных элементов цифровой схемотехники. ПЛИС представляет собой кристалл, на котором расположено большое количество простых логических элементов. Изначально эти элементы не соединены между собой. Соединение элементов (превращение разрозненных элементов в электрическую схему) осуществляется с помощью электронных ключей, расположенных в этом же кристалле. Электронные ключи управляются специальной памятью, в ячейки которой заносится код конфигурации цифровой схемы. Таким образом, записав в память ПЛИС определенные коды, можно собрать цифровое устройство любой степени сложности (это зависит от количества элементов на кристалле и параметров ПЛИС). В отличие от микропроцессоров, в ПЛИС можно организовать алгоритмы цифровой обработки на аппаратном (схемном) уровне. При этом быстродействие цифровой обработки резко возрастает. Достоинствами технологии проектирования устройств на основе ПЛИС являются:

• · минимальное время разработки схемы (нужно лишь занести в память ПЛИС конфигурационный код);
• · в отличие от обычных элементов цифровой схемотехники здесь отпадает необходимость в разработке и изготовлении сложных печатных плат;
• · быстрое преобразование одной конфигурации цифровой схемы в другую (замена кода конфигурации схемы в памяти);
• · для создания устройств на основе ПЛИС не требуется сложное технологическое производство. ПЛИС конфигурируется с помощью персонального компьютера на столе разработчика. Потому иногда эту технологию называют "фабрикой на столе".

Типичные области применения ПЛИС: цифровая обработка сигналов, пользовательская электроника, системы сбора данных, системы управления, телекоммуникационное оборудование, оборудование для систем беспроводной связи, компьютерное оборудование общего назначения.

Стремясь к достижению высоких технических характеристик и потребительских качеств своей продукции, разработчики электронных устройств используют специализированные ИС (СПИС). Их применение обеспечивает следующие преимущества:

• - уменьшение габаритов устройства. Применение СПИС позволяет снизить количество ИС, уменьшить размеры печатных плат и тем самым сократить габариты всего устройства;
• - повышение технических характеристик. Уменьшение количества ИС приводит к повышению системного быстродействия и сокращению потребляемой мощности;
• - повышение надежности. Так как вероятность ошибки или поломки устройства прямо пропорциональна количеству ИС, надежность устройств, использующих СПИС, значительно возрастает;
• - обеспечение защиты разработки. Так как скопировать устройство, содержащее СПИС, значительно сложнее (а иногда практически невозможно), чем устройство на стандартных компонентах, применение СПИС позволяет обеспечить авторские права разработчика;
• - повышение гибкости модификации. Так как модификация СПИС не требует, как правило, переработки остальных узлов, переразводки печатных плат и т.д., возможности отладки и модификации устройства значительно повышаются.

В большинстве случаев в литературе выделяют следующие классы СПИС (ASIC)

• - программируемые пользователем ИС - ПЛИС (PLD).
• - масочно-программируемые ИС - базовые матричные кристаллы (БМК) или вентильные матрицы (Gate Arrays).
• - ИС на стандартных ячейках (Standard Cells).
• - полностью заказные ИС (Full Custom).

ПЛИС и БМК относятся к категории полузаказных ИС, поскольку внутрисхемная топология частично формируется при производстве самих ИС, а частично программируется в соответствии с требованиями потребителя.

Остальные СПИС являются заказными, т.к. вся топология схемы с учетом требуемых функций разрабатывается при производстве кристаллов.

Классификация СПИС приведена на рисунке, из которого видно, какое направление и раздел СПИС занимает ПЛИС:

Классификация СПИС

Недавно я все-таки сделал свой первый шаг к ПЛИС и призвал вас за собой . Мое фанатическое увлечение ПЛИС и идея о том, что ПЛИС является лучшей платформой для создания любых устройств приобрела религиозный характер. Моя секта ПЛИСоводов проповедует полный отказ от микроконтроллеров, а особо экстремистская ветвь проповедует отказ не только от софт процессоров , но и вообще от последовательных вычислений!

Как всегда, постижению истин помогло решение реальных задач. В сегодняшней проповеди я хотел бы рассказать об испытаниях, которые выпадают на долю молодого ПЛИСовода. Преодолевая испытания мы постигаем истину. Но остаются вопросы, на которые я не нашел ответов. Поэтому я бы очень хотел, чтобы братья-хабровчане - ПЛИСоводы с опытом, поучаствовали в обсуждении, протянули руку помощи своим младшим собратьям.

Эта статья для новичков. В ней я опишу типичные проблемы, вопросы, заблуждения, ошибки, которые могут появиться в самом начале обучения (потому что они появились у меня). Однако, контекст статьи ограничен тем, что разработка ведется на ПЛИС от Altera в среде Quartus на языке Verilog .

Трудно жить ничего не делая, но мы не боимся трудностей!

Одна из причин, по которой многие не начинают изучать Verilog вот прямо сейчас - это отсутствие реальной ПЛИС. Кто-то не может заказать, потому что дорого, а кто-то потому, что не знает, что именно взять (вопрос выбора рассмотрен в предыдущей статье). Кому-то ПЛИС пока еще едет по почте.

Но в своих разработках я пришел к тому, что наличие реальной ПЛИС мне требуется уже на финальном этапе разработки, когда нужно протестировать проект «в железе». Речь о том, что бóльшую часть времени я провожу в отладке своего кода с помощью симуляторов.

Поэтому мой совет: отсутствие ПЛИС - это не повод бездействовать. Пишите и отлаживайте модули для ПЛИС в симуляторах!

Симулятор для Verilog

Итак, чем же развлечь себя скучными длинными рабочими днями (если они таковыми являются)? Конечно же освоеним ПЛИС! Но как же затащить на работу целую среду разработки от Altera, если она весит 3 ежемесячных рабочих лимита интернета? Можно принести на флешке! Но если предметом изучения является Verilog, то можно ограничиться блокнотом, компилятором IcarusVerilog, а результат смотреть в GTK Wave.

Попробовать прямо сейчас

Для начала работы в среде Windows, достаточно скачать по ссылке http://bleyer.org/icarus/ файл установки iverilog-20130827_setup.exe (development snapshot)

Установка трудностей не вызывает. Теперь немного забежим вперед: создадим папку для проекта и в ней пару файлов с пока что не понятным содержимым:

Файл-модуль с кодом для тестирования модулей - bench.v

`timescale 1ns / 100 ps module testbench(); reg clk; initial begin $display("start"); $dumpfile("test.vcd"); $dumpvars(0,testbench); clk <= 0; repeat (100) begin #10; clk <= 1; #10; clk <= 0; end $display("finish"); end

В файле bench.v описан тестовый модуль testbench, в нем создан тестовый источник сигнала clk (меандр). Другие модули будут создаваться в отдельных файлах, либо логику можно протестировать сначала в этом модуле, а потом вынести в отдельный модуль. Потом в модуль testbench будут добавляться экземпляры этих модулей, где мы будем подавать на их входы тестовые сигналы и получать из них результаты. Из модулей мы можем строить иерархию, думаю это понятно всем.

BAT Файл, который скомпилирует и просимулирует главный модуль, добавив другие модули из текущей папки - makev.bat

iverilog -o test -I./ -y./ bench.v vvp test pause

После запуска этого файла мы увидим на экране текст, заданный в $display (это отладочный вывод), значение же сигналов и регистров схемы будут находиться в файле test.vcd. Кликаем по файлу и выбираем программу для просмотра - GTKWave (в моем случае D:\iverilog\gtkwave\bin\gtkwave.exe). Еще пару кликов и мы увидим наш clk.

Практически, каждый свой новый модуль я создаю в блокноте и отлаживаю IcarusVerilog. Следующим этапом после такой отладки идет проверка модулей в Quartus. Хотя в Quartus тоже есть свой симулятор, но я его использую реже. Причина в простоте обновления кода и просмотра результата в IcarusVerilog: сохранил изменения в файле, запустил BAT, нажал кнопку «обновить» в GTKWave - все! В ModelSim для этого требуется чуть больше движений, но он тоже не плох, особенно на данных сложных структур.

После симуляции наступает пора запуска Quartus. Но загружать прошивку в ПЛИС пока еще рано. Нужно убедиться, что божественная вычислительная машина правильно поняла, какую схему мы хотим получить, изложив свои мысли в виде Verilog"а.

Разница между симуляцией и работой в реальном железе

Первое время я, подобно слепому котенку, бился головой об косяки. Казалось бы правильный код, не работает совсем, либо работает не так, как предполагаешь. Либо вот только что работал, а теперь внезапно перестал!

Пытливый котенок, начинает искать взаимосвязь между своими действиями и результатом («голубиное суеверием»).

Самая большая драма

Ниже будет список странностей, но сначала самая большая драма, с которой я столкнулся: не все конструкции Verilog могут быть синтезированы в железе . Это связано с тем, что на Verilog описывается не только аппаратная логика, которая объединяется в модули и работает в железе. На том же Verilog описываются тестовые модули, которые объединяют тестируемые модули, подают на их входы тестовые сигналы и в целом существуют только для проверки на компьютере. Изменение значений сигналов во времени задается конструкциями, содержащим знак "#" в тексте Verilog. Такой знак означает задержку во времени. В примере выше именно так генерируется сигнал CLK. И я грешным делом думал, что таким же образом внутри настоящей ПЛИС можно генерировать, к примеру, последовательность бит для отправки сообщения по RS232. Ведь на вход ПЛИС подан сигнал от генератора 50 МГц! Может быть она как-то на него ориентируется. Как оказалось, я не единственный, кто надеялся на чудо: , , , , . Реальность как всегда оказывается более суровой: ПЛИС это набор логики и временная задержка в ней может появиться при использовании счетчика, значение которого увеличивается тактами от генератора до заданной величины, либо как-то иначе (но всегда аппаратно).

Список найденных странностей

Удивительные вещи, однако, прочтение книг проливает свет на эту бесовщину. Более того, обретается благодать.

Если обозначить reg, то не факт, что он будет создан

Как я пришел к проблеме? Допустим есть один модуль, на вход которого я должен подавать значение (по типу параметра). В перспективе, этот параметр должен будет изменяться во времени в зависимости от каких-то внешних событий. Поэтому значение должно хранится в регистре (reg). Но реализация приема внешних событий пока не реализована, поэтому я регистр не меняю, а просто задаю ему изначальное значение, которое в дальнейшем не меняется.

//задаю 8 битный регистр reg val; //инициирую его значением initial val <= 8"d0240; //wire к которому подключим выход из модуля wire out_data; //неведомый модуль, называется bbox //экземпляр этого модуля называется bb_01 //будем считать, что в модуле есть входной порт in_data и выходной out_data //во входной порт подаем значение с регистра val, а выход подключаем к wire - out_data bbox bb_01(.in_data(val), .out_data(out_data));
Казалось бы в чем подвох? В императивных ЯП мы часто задаем переменные в качестве констант и потом ни разу их не меняем и все работает. Что же мы видим в железе?


Во-первых, мы не видим регистра. Во-вторых, на вход модуля подано 8"hFF вместо наших 8"d0240! И этого уже достаточно для того, чтобы схема заработала не так, как мы планировали. То, что регистра нет - это нормально. В Verilog можно описывать логику разными способами, в то же время, синтезатор всегда оптимизирует аппаратную реализацию. Даже если написать блок always и в нем работать с регистрами, но при этом выходное значение всегда будет определяться входными, то применение регистра тут окажется лишним и синтезатор его не поставит. И наоборот, если при каких то значениях входных данных выходное значение не меняется, то тут никак не обойтись без регистра-защелки и синтезатор его создаст. (Книга 1 стр. 88-89). Что из этого следует? Если мы начнем менять значение регистра, например, в зависимости от нажатии кнопок, то геристр уже будет создан и все будет работать так, как нужно. Если же окажется, что кнопки ничего не меняют, то синтезатор его опять же выкинет и опять все поломается. Что же делать с константой? Нужно подать ее напрямую на вход модуля:

Bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(out_data));
Теперь на входе модуля мы имеем правильное значение:

Остается загадкой, почему при сокращении регистра, его значение в initial не подставляется на вход модуля.

Размерность wire лучше задавать самому.

При разработке в среде Quartus, допускается не задавать линии wire заранее. В этом случае они будут созданы автоматически, но об этом будет выдано предупреждение (warning). Проблема заключается в том, что разрядность wire будет 1-бит, а если порты будут иметь разрядность больше 1 бита, то значение не будет передано.

Bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(int_data)); other_bbox bb_02(.in_data(int_data), .out_data(out_data));
Предупреждение
Warning (10236): Verilog HDL Implicit Net warning at test.v(15): created implicit net for "int_data"
Результат:

Как видим, один бит подключен, а остальные 7 бит получаются не подключены (NC). Чтобы такой проблемы не было - нужно создать wire самостоятельно. Не зря компилятор IcarusVerilog выдает не warning, а ошибку, если wire не задан заранее.

Wire int_data; bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(int_data)); other_bbox bb_02(.in_data(int_data), .out_data(out_data));

Компьютер не будет лазать по модулям, смотреть, какая разрядность портов. К тому же, разрядность может оказаться разной, а на вход модуля или с выхода берутся не все биты, а какие-то определенные.

Нельзя использовать выход логической функции, в качестве тактового сигнала

Иногда в проекте требуется снизить тактовую частоту, либо ввести временную задержку в N тактов. Новичёк может применить счетчик и дополнительную схему определения достижения счетчиком определенного значения (схема сравнения). Однако, если напрямую использовать выход со схемы сравнения в качестве тактового, то могут возникнуть проблемы. Это связано с тем, что логической схеме требуется некоторое время для установки стабильного значения на выходе. Эта задержка смещает фронт сигнала, проходящего через разные части логической схемы относительно тактового, в итоге получаются гонки, метастабильность, асинхронщина. Даже довелось однажды услышать реплику об этом в качестве критики ПЛИС: «с ПЛИС постоянные проблемы - гонки сигналов».

Если прочитать хотя бы парочку статей:
Метастабильность триггера и межтактовая синхронизация
Пару слов о конвейерах в FPGA

То становится ясно, каким образом разрабатываются устройства на ПЛИС: вся задача делится на аппаратные блоки, а данные между ними движутся по конвеерам, синхронно защелкиваясь в регистрах по тактовому сигналу. Таким образом, зная общую тактовую частоту, синтезатор рассчитывает максимальную частоту работы всех комбинаторных схем, определяет, укладывается ли их скорость к период такта и делает вывод - будет или не будет работать схема в ПЛИС. Все это происходит на этапе синтеза. Если схемы укладываются в параметры, то можно прошивать ПЛИС.

Таким образом, для разработчиков устройств на базе ПЛИС созданы все необходимые методологии, и если их придерживаться, то проблем не будет.

А что, если я хочу пойти против системы?

Порядок разработки и поведение синтезатора схем подводит нас к выводу о том, что же такое ПЛИС на аппаратном уровне. Это синхронные схемы. Поэтому, среди целей синтезатора - уложиться во временные интервалы. Для этого он, к примеру, упрощает логические выражения, выбрасывает из синтеза части схем, которые не используются другими схемами и не привязаны к физическим выводам ПЛИС. Асинхронные решения и аналоговые трюки не приветствуются, потому что их работа может быть непредсказуемой и зависеть от чего угодно (напряжение, температура, техпроцесс, партия, поколение ПЛИС), а поэтому не дает гарантированного, повторяемого, переносимого результата. А всем же нужен стабильный результат и общие подходы к проектированию!

Но что же делать, если вы не согласны с мнением синтезатора о том, что нужно выкидывать неизменяемые регистры, сокращать логические схемы? Как быть, если хотите делать схемы с асинхронной логикой? Нужна тонкая настройка? А может быть вы сами хотите собрать схему на низкоуровневых компонентах ПЛИС? Легко! Спасибо разработчикам Altera за такую возможность и подробную документацию!

Как это сделать? Можно попробовать графический редактор схем. Вы, возможно, слышали о том, что Quartus позволяет рисовать схемы? Можно самому выбрать стандартные блоки и соединить их. Но это не решение! Даже нарисованная схема будет оптимизирована синтезатором, если на это будет возможность.

В итоге мы приходим к старой истине: если ничего не помогает - прочитайте инструкцию . А именно «Altera Handbook» часть под названием «Quartus II Synthesis Options» .

Начнем с того, что описывая архитектуру на Verilog определенным образом, можно получить определенный результат. Вот примеры кода для получения синхронного и асинхронного RS триггера:

//модуль синхронного RS триггера module rs(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; always @(posedge clk) begin if (r) begin q <= 0; end else if (s) begin q <= 1; end end endmodule
В этом случае получится синхронный триггер.

Если не брать во внимание тактовый сигнал и переключаться в зависимости от любых изменений r и s, то в результате получится элемент с асинхронной установной значений - защелка (latch).

//пример модуль асинхронного RS триггера module ModuleTester(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; always @(r or s) begin if (r) begin q <= 0; end else if (s) begin q <= 1; end end endmodule

Module ModuleTester(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; DLATCH lt(.q(q), .clrn(~r), .prn(~s)); endmodule

В итоге, весь «обвес» на входе защелки, который синтезатор посчитал нужным, исчезнет и мы получим именно то, что хотели:

Список существующих примитивов можно посмотреть на сайте Altera.

А теперь небольшой пример про асинхронность и сокращение. Задумал я, к примеру, сделать генератор по тому же принципу, как это было принято делать раньше, но только на ПЛИС:

Но для увеличения периода я возьму 4 элемента, но только один из них будет с инверсией:

Module ModuleTester(q); output wire q; wire a,b,c,d; assign a = b; assign b = c; assign c = d; assign d = ~a; assign q = a; endmodule

Но получается сокращение (1 элемент, вместо четырех). Что логично. Но мы то задумывали линию задержки.

Но если поставить синтезатору условие, что линии a,b,c,d не сокращать, то получится то, что мы задумали. Для подсказки синтезатору применяются директивы . Один из способов указания - это текст в комментарии:

Module ModuleTester(q); output wire q; wire a,b,c,d /* synthesis keep */; // ^^^--- это директива для синтезатора assign a = b; assign b = c; assign c = d; assign d = ~a; assign q = a; endmodule
А вот и результат - цепочка из четырех элементов:

И это далеко не все! Оставлю на радость самостоятельного изучения: работу с case и директиву для реализации его в качестве RAM/ROM или логической схемой; работу со встроенными блоками памяти (RAM/ROM); выбор реализации умножения - аппаратным умножителем или логической схемой.

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

	ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ
	ИНТЕГРАЛЬНЫЕ CХЕМЫ

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

	ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ
	ИНТЕГРАЛЬНЫЕ CХЕМЫ

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

	ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И
	АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

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

	ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И
	АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

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

	ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И
	АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

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

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.