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

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.

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 =)

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.