ПЛИС
По сравнению с другими микроэлектронными технологиями, в том числе и другими классами СПИС, технология ПЛИС обеспечивает рекордно-короткий проектно-технологический цикл (несколько часов/ дней), минимальные затраты на проектирование, максимальную гибкость при модификации аппаратуры. При этом весь проектно-технологический цикл выполняется разработчиком РЭА на одном рабочем месте.
Структура ПЛИС основана на фундаментальных понятиях алгебры логики (булевой алгебры) и содержит следующие логические элементы:
— логическое «И»(коньюнкторы);
— логическое «ИЛИ» (дизъюнкторы);
— логическое «НЕ» (инверторы);
— буферные элементы с прямыми, инверсными и тристабильными выходами;
— «Исключающее ИЛИ»;
— триггеры D‑ и T‑типа;
— мультиплексоры конфигурации.
Поскольку любая логическая функция может быть представлена в виде суммы произведений —дизъюнктивной нормальной формы (ДНФ), базовыми структурными компонентами ПЛИС являются матрицы элементов «И»и «ИЛИ». На выходе матриц расположены так называемые макроячейки (Macrocells), конфигурация которых зависит от типа ПЛИС. Макроячейки могут содержать различные триггеры, тристабильные буферы, элементы управления полярностью сигнала и др. Пути прохождения сигнала в макроячейке (конфигурация) могут быть жестко заданы структурой ПЛИС или управляться посредством мультиплексоров.
Размерность логических матриц и конфигурация макроячеек определяют степень интеграции и функциональные возможности ПЛИС.
ПЛИС также содержат многочисленные обратные связи (ОС), позволяющие использовать текущие состояния и формировать последовательностные автоматы различных классов. Обобщенная структура ПЛИС приведена на рис.2.
Основным программируемым компонентом ПЛИС являются логические матрицы. Изначально оно обеспечивают соединение любого сигнала со входа или ОС с любым коньюнктором или дизъюнктором. В зависимости от требуемых логических функций некоторые из этих соединений разрываются, а некоторые остаются и служат для коммутации сигналов. Возможность разрыва обеспечивается наличием программируемого элемента (перемычки) в местах соединения сигнальных линий. В зависимости от технологии изготовления ПЛИС перемычка представляет собой плавкую металлическую перемычку или ячейку памяти.
На рис. 3 условно изображен один из коньюнкторов матрицы «И». В ПЛИС такой коньюнктор называется термом. В «чистом» (незапрограммированном) состоянии каждый из сигналов A, B, C является входом коньюнктора, образуя логическую функцию «3И».
Разрывая одну или несколько перемычек (на рисунках они обозначаются символом "X"), можно получить любую коньюнкцию от этих сигналов.
Примеры приведены на рис.4.
В ПЛИС каждый терм содержит не только прямые, но и инверсные линии сигналов (рис. 5). В общей сложности количество входов каждого терма достигает 100 и выше.
Матрицы логического «ИЛИ» в ПЛИС бывают двух видов: программируемые и фиксированные. Программируемые матрицы «ИЛИ» аналогичны матрице «И» и изначально коммутируют любой терм с любым дизъюнктором (рис.6).
|
Фиксированные матрицы «ИЛИ» обеспечивают соединение каждого дизъюнктора со строго определенными термами (рис.7). Количество таких термов, как правило, составляет от 8 до 16. Фиксированные матрицы «ИЛИ» менее универсальны, но проще и понятнее для проектирования.
Выходной сигнал логических матриц попадает в макроячейку и может быть сохранен в памяти триггера, выведен на контакт или возвращен через ОС в матрицу «И». На рис.8 приведенамакроячейка ПЛИС 85C220/85C224 фирмы INTEL.
Символом «P » обозначены программируемые элементы (перемычки конфигурации). В зависимости от состояния перемычки P 1 вход B элемента «исключающее ИЛИ» коммутируется либо с низким (L), либо с высоким (H) логическим уровнем. В соответствии с этим сигнал либо сохраняет свою полярность, либо инвертируется (рис.9).
Перемычка P2 управляет сигналом выхода и ОС: в зависимости от ее состояния этот сигнал снимается либо с комбинационной линии (дизъюнктор- «исключающее ИЛИ»), либо с выхода триггера.
При «закрытом» тристабильном буфере выходной контакт макроячейки можно использовать в качестве входного.
Некоторые другие ПЛИС имеют макроячейки с более сложной и гибкой структурой, содержащие до 5 перемычек конфигурации. Количество макроячеек в ПЛИС составляет от 8 до 100 и более.
Классификация ПЛИС
Наибольший интерес представляет классификация ПЛИС по структурам, т.к. она дает наиболее полное представление о классе задач, пригодных для решения на той или иной ПЛИС. Основным критерием такой классификации является наличие, вид и способы коммутации логических матриц. По этому признаку можно выделить следующие классы ПЛИС:
— программируемые логические матрицы (ПЛМ);
— программируемая матричная логика (ПМЛ);
— программируемаямакрологика (ПМ);
— программируемые коммутируемые матричные блоки (ПКМБ);
— программируемые вентильные матрицы (ПВМ).
Программируемые логические матрицы — наиболее традиционный тип ПЛИС, имеющий программируемые матрицы «И» и «ИЛИ». В зарубежной литературе соответствующими этому классу аббревиатурами являются FPLA (FieldProgrammableLogicArray) и FPLS (FieldProgrammableLogicSequensers). Примерами таких ПЛИС могут служить отечественные схемы K556PT1, PT2, PT21.
Программируемая матричная логика (зарубежная аббревиатура —PAL — ProgrammableArrayLogic) — это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу «И»и фиксированную матрицу «ИЛИ». К этому классу относятся большинство современных ПЛИС. В качестве примеров можно привести отечественные ИС КМ1556ХП4,ХП6, ХП8,ХЛ8, ПЛИС фирм INTEL, ALTERA, AMD, LATTICE и др. Разновидностью класса ПМЛ являются ПЛИС, имеющие только одну (программируемую) матрицу «И», например, схема 85C508 фирмы INTEL.
|
Программируемая макрологика —ПЛИС, содержащие одну программируемую матрицу «И‑НЕ» или «ИЛИ-НЕ», но за счет многочисленных инверсных ОС способные 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» (рис.10).
Программируемые коммутируемые матричные блоки — это ПЛИС, содержащие несколько (обычно 4—8) матричных логических блоков (МЛБ), объединенных коммутационной матрицей. Каждый МЛБ представляет собой структуру типа ПМЛ, т.е. программируемую матрицу «И», фиксированную матрицу «ИЛИ»имакроячейки (рис. 11). ПЛИС типа ПКМБ, как правило, имеют высокую степень интеграции (до 20000 вентилей). К этому классу относятся ПЛИС семейства MAX5000, MAX7000, и MAX9000 фирмы ALTERA, схемы семейств XC72xx, XC73xx и XC95xx фирмы XILINX.
|
Программируемые вентильные матрицы —это ПЛИС, вообще не содержащие логических матриц и относящиеся к ПЛИС вследствие возможности программирования пользователем. Такие схемы основаны на структуре БМК и вентильных матриц и состоят из логических блоков (ЛБ) и коммутирующих путей (рис.12). Как правило, они содержат значительное число триггеров, но их комбинационные и коммутационные возможности ограничены. ПВМ используются, главным образом, для разработки счетных структур с минимальным комбинационным обрамлением. К ПВМ классу относятся схемы фирм XILINX, ACTEL, а также семейства FLEX8000, FLEX10K и FLEX6000 фирмы ALTERA.
Технология ПЛИС
До 1985 г. все ПЛИС изготавливались по технологии ТТЛШ. Это обеспечивало высокое быстродействие (до 7— 10 нс) и низкую стоимость схем. Однако этим ПЛИС были присущи и все недостатки биполярной технологии: высокая потребляемая мощность, низкая степень интеграции, невозможность перепрограммирования. Поэтому в конце 80‑х годов появились и получили быстрое развитие ПЛИС по технологии КМОП. В таких ПЛИС роль соединительных элементов (перемычек) играют ячейки памяти типа EPROM или EEPROM. Если в биполярных ПЛИС соединения разрываются путем обычного прожига перемычки, то в КМОП-ПЛИС ячейки программируются за счет накопления или удаления электрического заряда. Такие перемычки можно не только разрывать, но и восстанавливать. Этот процесс называется стиранием схемы. В зависимости от типа ячеек памяти различают ПЛИС с УФ-стиранием (EPROM) и электрическим стиранием (EEPROM).
ПЛИС с УФ-стиранием изготавливаются в керамических корпусах с окном. Стирание происходит при облучении ПЛИС УФ-излучением с заданными параметрами. Стирание ПЛИС типа EEPROM осуществляется путем подачи на схему определенных электрических сигналов.
Большинство ПЛИС по технологии EPROM выпускаются также в пластмассовых корпусах без окна (так называемые однократнопрограммируемые). Являясь полными функциональными аналогами стираемых, такие ПЛИС стоят на 40—% дешевле.
Внедрение технологии КМОП позволило значительно увеличить степень интеграции ПЛИС и достичь 10000 и более вентилей. Потребление КМОП-схем составляет около 1mA/МГц, а некоторые ПЛИС имеют режим микроамперного потребления в статическом режиме.
За последние годы были выпущены ПЛИС и по другим технологиям, например, на GaAs (фирма GAZELLE MICROELECTRONICS) или по технологии «антиперемычек»(фирма ACTEL). Но эти схемы еще не получили широкого распространения.
Бит секретности
ПЛИС имеют такую уникальную технологическую особенность, как перемычка (бит) секретности. Если после программирования ПЛИС ее внутреннюю конфигурацию можно считать и полученный шаблон использовать для тиражирования схемы, то после разрыва бита секретности содержимое ПЛИС становится недоступным для чтения. Благодаря этому ПЛИС могут применяться в качестве электронного ключа для защиты аппаратных и программных средств от несанкционированного доступа и копирования.
Основные области применения ПЛИС
Применение ПЛИС особенно целесообразно в следующих случаях. Во-первых, при разработке оригинальной аппаратуры, требующей нестандартных схемотехнических решений, а также при проектировании малогабаритных устройств. ПЛИС обычно заменяют на плате от 8—10 до 50—70 корпусов стандартной логики (например, 555 серии). При этом значительно уменьшаются размеры оборудования, а вследствие сокращения количества ИС снижается потребление схемы и повышается ее надежность.
Другим критерием использования ПЛИС является потребность резко сократить сроки и затраты на проектирование, а также повысить возможности модификации и отладки аппаратуры. Поэтому ПЛИС широко применяется в стендовом оборудовании, на этапах разработки и производства опытных партий новых изделий, а также для эмуляции схем, подлежащих последующей реализации на другой элементной базе, в частности, БМК. В последние годы за рубежом особенно широко стала применяться технология интегрированного проектирования ПЛИС+ +БМК, которая объединяет проектирование, отладку и модификацию прототипа цифрового устройства на ПЛИС и тиражирование устройства большими партиями на БМК. Такая интеграция позволяет, исключив недостатки, полностью реализовать преимущества обеих технологий: рекордно-короткий цикл проектирования и отладки РЭА (технология ПЛИС), высокий уровень интеграции, высокий коэффициент использования кристалла, высокие экономические характеристики тиражирования (технология БМК).
Отдельной областью применения ПЛИС, как уже отмечалось, являются устройства для защиты от копирования. Обычно применение 1—2 ПЛИС средней степени интеграции оказывается вполне достаточным для надежного «закрытия» информации.
Наиболее широко ПЛИС используются в микропроцессорной и вычислительной технике. На их основе разрабатываются контроллеры шины, адресные дешифраторы, логика обрамления микропроцессоров, формирователи управляющих сигналов и др. На ПЛИС часто изготавливаются микропрограммные автоматы и другие специализированные устройства, например, цифровые фильтры, схемы обработки сигналов и изображения, процессоры быстрого преобразования Фурье и т.д. В технике связи ПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных каналов.
. Таким образом, мы подходим к основному и самому главному отличию микроконтроллеров отПЛИС'ов: На МК его функции реализуются программно, с использованием уже имеющейся внутренней схемы, а в ПЛИС'ах это реализуется напрямую, или "аппаратно", т.е. созданием соответствующей схемы соединений между его внутренними элементами.
Поэтому, говорить о том, что предпочтительнее - МК или ПЛИС - не совсем корректно, т.к. они созданы для решения разных задач, хотя области их применения могут и пересекаться: например, частотомер можно собрать на устройствах обоих типов. Существует и ещё одно НО, связанное с тем, что микроконтроллеры из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС, а последние могут работать на частотах около гигагерца.