Отечественным производителям электронной техники трудно конкурировать с зарубежными фирмами в области массового производства товаров широкого потребления. Однако в области разработки и создания сложной наукоемкой продукции в России сохранились условия, кадры, научный потенциал. Большое число предприятий и учреждений способно разрабатывать уникальные электронные устройства. Высокотехнологичным "сырьем" для таких разработок в области цифровой электроники служат легко доступные на отечественном рынке электронные компоненты: микропроцессоры, контроллеры, СБИС памяти и др. - все, что позволяет решать задачи специальной обработки сигналов и вычислений программным путем (со свойственными программной реализации достоинствами и недостатками). Микропроцессорная техника давно и прочно укоренилась в отечественных разработках. Однако в последние годы появилась новая элементная база - СБИС программируемой логики (programmable logic device - PLD), которая, удачно дополняя и заменяя микропроцессорные средства, в ближайшие годы станет "настольным материалом" для разработчиков. СБИС ПЛ оказываются вне конкуренции в областях, где требуется создание высокопроизводительных специализированных устройств, ориентированных на аппаратную реализацию. Аппаратное решение задач обеспечивает распараллеливание процесса обработки и увеличивает производительность в десятки раз по сравнению с программным решением, а использование СБИС ПЛ, в отличие от специализированных СБИС, обеспечивает такую же гибкость реализации, как у любых программных решений. В последние годы динамика развития и производства СБИС ПЛ. уступает только микросхемам памяти и превышает 50% в год.
|
|
СБИС ПЛ представляют собой полузаказную СБИС и включают реализованные на кристалле универсальные настраиваемые пользователем функциональные преобразователи и программируемые связи между этими преобразователями. По сравнению с базовыми матричными кристаллами (БМК) использование СБИС ПЛ обеспечивает существенно более короткий цикл разработки, экономический выигрыш при мелкосерийном (до нескольких тысяч изделий) производстве и возможность внесения изменений в проект на любом этапе разработки. Заказную СБИС или БМК разработают для Вашего уникального проекта за несколько месяцев. Но только на СБИС ПЛ Вы запрограммируете его сами за кратчайшее время и с минимальными затратами. Разработчик специализированного цифрового устройства, используя средства САПР СБИС ПЛ, в привычной ему форме (схемы, текстовое описание) задает требуемое устройство и получает программирующий СБИС ПЛ файл, который используется при программировании на программаторе или непосредственно на плате. Программирование заключается в задании нужных свойств функциональным преобразователям и установлении необходимых связей между ними. Программируемые элементы - электронные ключи. Такой цикл проектирования/изготовления занимает незначительное время, изменения могут вноситься на любой стадии разработки за считанные минуты, а внедрение новых средств проектирования на начальном этапе практически не требует материальных затрат.
Производители, архитектура и возможности существующих в настоящее время типов СБИС ПЛ разнообразны. Систематизация микросхем гибкой логики производится обычно по следующим классификационным признакам:
|
|
степень интеграции (логическая емкость);
архитектура функционального преобразователя;
организация внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей;
тип используемого программируемого элемента;
наличие внутренней оперативной памяти.
Степень интеграции (логическая емкость) - наиболее важная характеристика СБИС ПЛ, по которой осуществляется выбор. Производители СБИС ПЛ стоят на передовых рубежах электронной технологии (текущая рабочая проектная норма составляет 0,25 мкм), и число транзисторов в СБИС ПЛ большой емкости составляет десятки миллионов. Но ввиду избыточности структур, включающих большое число коммутирующих транзисторов, логическую емкость измеряют в эквивалентных логических вентилях типа 2И-НЕ (2ИЛИ-НЕ), которые понадобилось бы для реализации устройств той же сложности, что и на соответствующих СБИС.
Основные производители СБИС ПЛ - фирмы Altera (34% мирового объема продаж), Xilinx (33%), Actel (9%). Максимальная логическая емкость достигнута в настоящее время в СБИС ПЛ, выпускаемых фирмой Altera (семейства FLEX10K), и составляет 250000 логических вентилей, а к концу 1998 г. достигнет 1 миллиона (количественные данные приведены по состоянию на 01.06.98 г.).
Функциональные преобразователи СБИС ПЛ включают в себя настраиваемые средства реализации логических функций и триггер (т.е. являются простым конечным автоматом). Наиболее часто логические функции реализуются в виде суммы логических произведений (sum of product) либо на шестнадцатибитных ПЗУ (таблицы перекодировки). СБИС ПЛ с функциональными преобразователями на базе сумм термов, позволяют проще реализовывать сложные логические функции, а на базе таблиц перекодировки создавать насыщенные триггерами устройства.
|
|
Организация внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей - основной отличительный признак различных СБИС ПЛ. На рис.3 показано разделение наиболее популярных СБИС ПЛ по этим признакам. 
Большинство фирм выпускает сложные СБИС ПЛ, располагая функциональные преобразователи в горизонтальных рядах и вертикальных столбцах в виде квадратной матрицы на площади кристалла, тогда как связи между преобразователями выполняются в виде проводников, разделенных на отдельные участки (сегменты) электронными ключами. Такая одноуровневая структура получила название FPGA (Field Programmable Gate Array). Иерархическая (многоуровневая) организация СБИС ПЛ позволяет улучшить их технические характеристики. При многоуровневой организации функциональные преобразователи группируются в блоки (например, в СБИС семейств FLEX10K фирмы Altera в логический блок входит 8 функциональных преобразователей), имеющие свою собственную локальную шину межсоединений. Блоки обмениваются сигналами друг с другом через шины межсоединений верхнего уровня. Структура такого типа показана на рис.4. Проводники межсоединений изготавливаются непрерывными (т.е. без разделения на сегменты электронными ключами), что обеспечивает малые задержки распространения сигналов и позволяет существенно сократить количество электронных ключей. Кроме того, непрерывные линии межсоединений обеспечивают возможность взаимной замены логических блоков без изменения временной модели устройства, что существенно ускоряет процедуру размещения проекта на кристалле и упрощает временное моделирование.
Тип используемого программируемого элемента - электронного ключа, определяет возможности СБИС ПЛ. по программированию, перепрограммированию и хранению конфигурации при отключении питания. Наиболее перспективны программируемые элементы, выполненные по EEPROM и FLASH технологии (полевые транзисторы с плавающим затвором), обеспечивающие энергонезависимое хранение конфигурации и многократное перепрограммирование (в том числе и распаянной микросхемы непосредственно на плате), и элементы, выполненные по SRAM технологии, т.е. представляющие собой электронный ключ и триггер оперативной памяти, в который при включении питания должна быть записана конфигурирующая информация. SRAM - технология обеспечивает меньшее энергопотребление и позволяет реконфигурировать СБИС ПЛ за десятки миллисекунд, обеспечивая исходную загрузку конфигурирующей памяти и, при необходимости, реконфигурирование <налету> для адаптации структуры реализуемого устройства. Особое место занимает ряд семейств СБИС ПЛ, выпускаемых фирмой Actel и имеющих программируемые элементы - antifuse, представляющие собой pn - переходы, пробиваемые при программировании. Эти СБИС ПЛ имеют высокую стойкость к хранению конфигурации при спецвоздействиях, но не получили широкого распространения в силу их высокой стоимости и однократности программирования.
Наличие внутренней оперативной памяти дает пользователю СБИС ПЛ. дополнительные возможности при разработке цифровых систем. СБИС ПЛ. с внутренней памятью выпускаются фирмами Altera (семейства FLEX10K), Atmel (семейство AT40K), Xilinx (семейства XC4000). Организация внутренней памяти в СБИС ПЛ различных производителей различна. В семействе FLEX10K фирмы Altera - это крупные выделенные модули памяти объемом 2 Кбит, в СБИС других производителей - распределенные по кристаллу небольшие блоки. Например, в СБИС фирмы Xilinx - теневые ОЗУ таблиц перекодировки объемом 32 бита, в СБИС ПЛ фирмы Atmel - расположенные в узлах матрицы межсоединений блоки памяти объемом 32х4 бита.
Возможности СБИС ПЛ чрезвычайно широки и удовлетворяют различным требованиям разработчиков цифровых устройств. На рис.8 показаны семейства СБИС ПЛ, выпускаемых фирмой Altera - лидером в производстве СБИС ПЛ. Семейства FLEX (SRAM технология конфигурирующих элементов) выпускаются в корпусах с числом выводов до 600, требуют загрузки конфигурации каждый раз при включении питания или при необходимости внесения изменений в функционирование СБИС, но обладают существенно большей логической емкостью по сравнению с энергонезависимыми семействами MAX и меньшим энергопотреблением на функциональный преобразователь. Семейства MAX могут обеспечить задержку сигнала до 5 нс., в то время как у семейств FLEX эта задержка не менее 8 нс. Наиболее перспективными семействами СБИС ПЛ фирмы Altera являются FLEX10K, FLEX6000, МАХ7000S,A.
МИКРОПРОЦЕССОРЫ
По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.
Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все функциональные основные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).
Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).
Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.
На рис. 1.а показано функциональное разбиение структуры процессора при создании трехкристального микропроцессора (пунктирные линии), содержащего БИС операционного (ОП), БИС управляющего (УП) и БИС интерфейсного (ИП) процессоров.
Рис. 1. Функциональная структура процессора (а) и ее разбиение для реализации процессора в виде комплекта секционных БИС.
Операционный процессор служит для обработки данных, управляющий процессор выполняет функции выборки, декодирования и вычисления адресов операндов и также генерирует последовательности микрокоманд. Автономность работы и большое быстродействие БИС УП позволяет выбирать команды из памяти с большей скоростью, чем скорость их исполнения БИС ОП. При этом в УП образуется очередь еще не исполненных команд, а также заранее подготавливаются те данные, которые потребуются ОП в следующих циклах работы. Такая опережающая выборка команд экономит время ОП на ожидание операндов, необходимых для выполнения команд программ. Интерфейсный процессор позволяет подключить память и периферийные средства к микропроцессору; он, по существу, является сложным контроллером для устройств ввода/вывода информации. БИС ИП выполняет также функции канала прямого доступа к памяти.
Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС МП, т.е. конвейерный поточный режим исполнения последовательности команд программы (выполнение последовательности с небольшим временным сдвигом). Такой режим работы значительно повышает производительность микропроцессора.
Многокристальные секционные микропроцессоры получаются в том случае, когда в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры процессора при функциональном разбиении ее вертикальными плоскостями (рис. 1,б). Для построения многоразрядных микропроцессоров при параллельном включении секций БИС в них добавляются средства "стыковки".
Для создания высокопроизводительных многоразрядных микропроцессоров требуется столь много аппаратных средств, не реализуемых в доступных БИС, что может возникнуть необходимость еще и в функциональном разбиении структуры микропроцессора горизонтальными плоскостями. В результате рассмотренного функционального разделения структуры микропроцессора на функционально и конструктивно законченные части создаются условия реализации каждой из них в виде БИС. Все они образуют комплект секционных БИС МП.
Таким образом, микропроцессорная секция это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. Секционность БИС МП определяет возможность "наращивания" разрядности обрабатываемых данных или усложнения устройств управления микропроцессора при "параллельном" включении большего числа БИС.
Однокристальные и трехкристальные БИС МП, как правило, изготовляют на основе микроэлектронных технологий униполярных полупроводниковых приборов, а многокристальные секционные БИС МП на основе технологии биполярных полупроводниковых приборов. Использование многокристальных микропроцессорных высокоскоростных биполярных БИС, имеющих функциональную законченность при малой физической разрядности обрабатываемых данных и монтируемых в корпус с большим числом выводов, позволяет организовать разветвление связи в процессоре, а также осуществить конвейерные принципы обработки информации для повышения его производительности.
По назначению различают универсальные и специализированные микропроцессоры.
Универсальные микропроцессоры могут быть применены для решения широкого круга разнообразных задач. При этом их эффективная производительность слабо зависит от проблемной специфики решаемых задач. Специализация МП, т.е. его проблемная ориентация на ускоренное выполнение определенных функций позволяет резко увеличить эффективную производительность при решении только определенных задач.
Среди специализированных микропроцессоров можно выделить различные микроконтроллеры, ориентированные на выполнение сложных последовательностей логических операций, математические МП, предназначенные для повышения производительности при выполнении арифметических операций за счет, например, матричных методов их выполнения, МП для обработки данных в различных областях применений и т. д. С помощью специализированных МП можно эффективно решать новые сложные задачи параллельной обработки данных. Например, конволюция позволяет осуществить более сложную математическую обработку сигналов, чем широко используемые методы корреляции. Последние в основном сводятся к сравнению всего двух серий данных: входных, передаваемых формой сигнала, и фиксированных опорных и к определению их подобия. Конволюция дает возможность в реальном масштабе времени находить соответствие для сигналов изменяющейся формы путем сравнения их с различными эталонными сигналами, что, например, может позволить эффективно выделить полезный сигнал на фоне шума.
Разработанные однокристальные конвольверы используются в устройствах опознавания образов в тех случаях, когда возможности сбора данных превосходят способности системы обрабатывать эти данные.
По виду обрабатываемых входных сигналов различают цифровые и аналоговые микропроцессоры. Сами микропроцессоры цифровые устройства, однако могут иметь встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Поэтому входные аналоговые сигналы передаются в МП через преобразователь в цифровой форме, обрабатываются и после обратного преобразования в аналоговую форму поступают на выход. С архитектурной точки зрения такие микропроцессоры представляют собой аналоговые функциональные преобразователи сигналов и называются аналоговыми микропроцессорами. Они выполняют функции любой аналоговой схемы (например, производят генерацию колебаний, модуляцию, смещение, фильтрацию, кодирование и декодирование сигналов в реальном масштабе времени и т.д., заменяя сложные схемы, состоящие из операционных усилителей, катушек индуктивности, конденсаторов и т.д.). При этом применение аналогового микропроцессора значительно повышает точность обработки аналоговых сигналов и их воспроизводимость, а также расширяет функциональные возможности за счет программной "настройки" цифровой части микропроцессора на различные алгоритмы обработки сигналов.
Обычно в составе однокристальных аналоговых МП имеется несколько каналов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. В аналоговом микропроцессоре разрядность обрабатываемых данных достигает 24 бит и более, большое значение уделяется увеличению скорости выполнения арифметических операций.
Отличительная черта аналоговых микропроцессоров способность к переработке большого объема числовых данных, т. е. к выполнению операций сложения и умножения с большой скоростью при необходимости даже за счет отказа от операций прерываний и переходов. Аналоговый сигнал, преобразованный в цифровую форму, обрабатывается в реальном масштабе времени и передается на выход обычно в аналоговой форме через цифро-аналоговый преобразователь. При этом согласно теореме Котельникова частота квантования аналогового сигнала должна вдвое превышать верхнюю частоту сигнала.
Сравнение цифровых микропроцессоров производится сопоставлением времени выполнения ими списков операций. Сравнение же аналоговых микропроцессоров производится по количеству эквивалентных звеньев аналого-цифровых фильтров рекурсивных фильтров второго порядка. Производительность аналогового микропроцессора определяется его способностью быстро выполнять операции умножения: чем быстрее осуществляется умножение, тем больше эквивалентное количество звеньев фильтра в аналоговом преобразователе и тем более сложный алгоритм преобразования цифровых сигналов можно задавать в микропроцессоре.
Одним из направлений дальнейшего совершенствования аналоговых микропроцессоров является повышение их универсальности и гибкости. Поэтому вместе с повышением скорости обработки большого объема цифровых данных будут развиваться средства обеспечения развитых вычислительных процессов обработки цифровой информации за счет реализации аппаратных блоков прерывания программ и программных переходов.
По характеру временной организации работы микропроцессоры делят на синхронные и асинхронные.
Синхронные микропроцессоры - микропроцессоры, в которых начало и конец выполнения операций задаются устройством управления (время выполнения операций в этом случае не зависит от вида выполняемых команд и величин операндов).
Асинхронные микропроцессоры позволяют начало выполнения каждой следующей операции определить по сигналу фактического окончания выполнения предыдущей операции. Для более эффективного использования каждого устройства микропроцессорной системы в состав асинхронно работающих устройств вводят электронные цепи, обеспечивающие автономное функционирование устройств. Закончив работу над какой-либо операцией, устройство вырабатывает сигнал запроса, означающий его готовность к выполнению следующей операции. При этом роль естественного распределителя работ принимает на себя память, которая в соответствии с заранее установленным приоритетом выполняет запросы остальных устройств по обеспечению их командной информацией и данными.
По организации структуры микропроцессорных систем различают микроЭВМ одно - и многомагистральные.
В одномагистральных микроЭВМ все устройства имеют одинаковый интерфейс и подключены к единой информационной магистрали, по которой передаются коды данных, адресов и управляющих сигналов.
В многомагистральных микроЭВМ устройства группами подключаются к своей информационной магистрали. Это позволяет осуществить одновременную передачу информационных сигналов по нескольким (или всем) магистралям. Такая организация систем усложняет их конструкцию, однако увеличивает производительность.
По количеству выполняемых программ различают одно- и многопрограммные микропроцессоры.
В однопрограммных микропроцессорах выполняется только одна программа. Переход к выполнению другой программы происходит после завершения текущей программы.
В много- или мультипрограммных микропроцессорах одновременно выполняется несколько (обычно несколько десятков) программ. Организация мультипрограммной работы микропроцессорных управляющих систем позволяет осуществить контроль за состоянием и управлением большим числом источников или приемников информации.
5. МАТРИЧНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫИ АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СБИС НА БАЗЕ МАТРИЦ ВАЙНБЕРГЕРА И ТРАНЗИСТОРНЫХ МАТРИЦ