Реферат: Конструирование ПЛИС
<i/>
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.