Реферат: Конструирование ПЛИС

Специализированныеполузаказные ИС на базовых матричных кристаллах (БМК), называемых за рубежомвентильными матрицами (Gate Arrays), бе­зусловно, обладают рядом преимуществ.Основным из них является возмож­ность создания на их основе самых различныхмикросхем при наличии раз­витых средств проектирования. Именно это, наряду снизкой стоимостью самих кристаллов, и обусловило широкое распространение БМК в60-70 го­ды.

Однако весьмаочевидны и недостатки матричных кристаллов. Прежде всего речь идет означительных сроках и затратах на проектирование специализированных ИС наоснове БМК. Эта негативная их особенность послужила предпосылкой для появлениянового класса специализированных полузаказных микросхем (СПИС) — программируемых логических ИС (ПЛИС). В зарубежной литературе синонимом ПЛИСявляется аббревиатура PLD-programmable logic devices.

ПЛИС- этоинтегральные микросхемы, содержащие программируемую матри­цу элементовлогического И (конъюнкторов), программируемую или фикси­руемую матрицуэлементов логического ИЛИ (дизъюнкторов) и так называе­мые макроячейки (взарубежной литературе-macrocells). Макроячейки, как правило, включают в себятриггер, тристабильный буфер и вентиль исклю­чающее ИЛИ, управляющий уровнемактивности сигнала. Размерность мат­риц и конфигурация макроячеек определяютстепень интеграции и логичес­кую мощность ПЛИС.

Структурная схема обобщенной модели ПЛИСприведена на рис.1, а тиро­вые конфигурации макроячеек — на рис.2,3 и 4.

В сочетании сразнообразными обратными связями перечисленные элемен­ты формируют завершеннуюавтоматную структуру, ориентированную на реа­лизацию как комбинационных(дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров), так и последовательностных схем (управляющихавтоматов, контроллеров, счетчиков).

В ПЛИС заложенывозможновти, которые позволяют превратить ее в ИС с любой функцией цифровойлогики. Проектирование сводится к выявлению программируемых элементов(перемычек или запоминающих ячеек), после удаления которых в структуре схемыостаются только те связи, которые необходимы для выполнения требуемых функций.На практике эта задача весьма непростая, так как современные ПЛИС содержат всреднем нес­колько десятков тысяч перемычек. Поэтому для проектирования обяза­тельноприменяют системы автоматизированного проектирования (САПР ПЛИС).

Благодаря наличиюразличных систем автоматизированного проектирова­ния, а также структурным итехнологическим особенностям, ПЛИС пред­ставляют технологию рекордно-короткого цикларазработки радиоэлектрон­ной аппаратуры. Причем весь цикл проектирования иизготовления готово­го устройства осуществляется самим разработчиком, чтозначителбно сни­жает стоимость РЭА по сравнению с использованием БМК.

Если за рубежом ПЛИСуже заняли заметное место в арсенале разработ­чика РЭА, то в России и странахСНГ эта технология только начинает по-настоящему развиваться. Отставаниеобъясняется рядом причин. Во-первых, очень узка номенклатура ПЛИС на нашемрынке элементной ба­зы. Во-вторых, практическая недоступность для нашихспециалистов сов­ременных зарубежных систем проектирования. В-третьих,недостаток ин­формации в технической литературе о ПЛИС и методах работы с ними.

Нужно, однако,отметить, что в начале 90-х годов у нас стали наблю­даться некоторые реальныесдвиги в приминении ПЛИС на отдельных пред­приятиях. Этому в первую очередьспособствовало появление отечествен­ных ПЛИС для решения многих задач. Назовем,например, ПЛИС с плавкими перемычками по технологии ТТЛШ, производимые в НИИМЭв Зеленограде. В их числе уже давно известные ПЛМ К556РТ1, К556РТ2, К556РТ21 исравни­тельно недавно выпускаемые ИС КМ1556ХП4, КМ1556ХП6, КМ1556ХП8, КМ1556ХЛ8,являющиеся аналогами широко распространенных в мире ПЛИС семейства PAL.

Сыграл определеннуюроль и выход на отечественный рынок фирмы INTEL, представившей в числе своейпродукции ПЛИС по технологии КМОП с УФ-стиранием. Наибольшую известностьполучили ПЛИС 85С060,85С090 и 85C22V10, считавшаяся в 80-х годах мировымпромышленным стандартом на ПЛИС.

Основные характеристикизарубежных и отечественных ПЛИС приведены в таблице.

В каких же случаях целесообразно применять ПЛИС ?

Во-первых, приразработке оригинальной аппаратуры, а также для за­мены обычных ИС малой исредней степени интеграции. При этом значи­тельно уменьшаются размерыустройства, снижается потребляемая мощ­ность и повышается надежность.

Наиболее эффективноиспользование ПЛИС в изделиях, требующих нестан­дартных схемотехническихрешений. В этих случаях ПЛИС даже средней степени интеграции (24 вывода)заменяет, как правило, до 10-15 обыч­ных интегральных микросхем.

Другим критериемиспользования ПЛИС является потребность резко сок­ратить сроки и затраты напроектирование, а также повысить возмож­ность модификации и отладки аппаратуры.Поэтому ПЛИС широко применяет­ся в стендовом оборудовании, на этапах разработкии производства опыт­ной партии новых изделий, а также для эмуляции схем,подлежащих после­дующей реализации на другой элементной базе, в частности БМК.

Отдельная областьприменения ПЛИС — проектирование на их основе ус­тройств для защитыпрограммного обеспечения и аппаратуры от несанкцио­нированного доступа икопирования. ПЛИС обладают такой технологичес­кой особенностью, как «битсекретности», после программирования кото­рого схема становится недоступнойдля чтения (хотя свои функции ПЛИС, естественно, продолжает выполнять). Обычноприменение одной-двух ПЛИС средней степени интеграции оказывается вполнедостаточной для надеж­ной защиты информации.

Наиболее широкопрграммируемые логические ИС используются в микроп­роцессорной и вычислительнойтехнике. На их основе разрабатываются контроллеры, адресные дешифраторы, логикаобрамления микропроцессоров, формирователи управляющих сигналов и др. На ПЛИСчасто изготавливают микропрограммные автоматы и другие специализированныеустройства, нап­ример, цифровые фильтры, схемы обработки сигналов иизображения, про­цессоры быстрого преобразования функций Фурье и т.д. В техникесвязи ПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных сигналов.

Применение ПЛИСстановится актуальным еще и потому, что у разработ­чиков зачастую нетнеобходимых стандартных микросхем.