Interested Article - ПЛИС

ПЛИС типа CPLD компании « Altera », модель «MAX 7128»

Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма ( ПЛИС , англ. p rogrammable l ogic d evice , PLD ) — электронный компонент ( интегральная микросхема ), используемый для создания конфигурируемых цифровых электронных схем . В отличие от обычных цифровых микросхем , логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования ( проектирования ). Для программирования используются программатор и IDE (отладочная среда), позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры ( Verilog , VHDL , AHDL и других). Альтернативой ПЛИС являются:

БМК — базовые матричные кристаллы , требующие заводского производственного процесса для программирования;
ASIC — специализированные заказные большие интегральные схемы (БИС), которые при малосерийном и единичном производстве существенно дороже;
специализированные компьютеры , процессоры (например, цифровой сигнальный процессор ) или микроконтроллеры , которые из‑за программного способа реализации алгоритмов в работе медленнее ПЛИС;
не программируемые цифровые устройства и системы, настроенные на решение заранее известных задач, построенные на принципах так называемой «жёсткой логики».

Некоторые производители для своих ПЛИС предлагают программные процессоры , которые можно модифицировать под конкретную задачу, а затем встроить в ПЛИС. Тем самым:

обеспечивается увеличение свободного места на печатной плате (возможность уменьшения размеров платы);
упрощается проектирование ПЛИС;
увеличивается быстродействие ПЛИС.

Этапы проектирования

Задание принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры ( Verilog , VHDL , AHDL и других).
Логический синтез с помощью программ-синтезаторов (получение списка электрических соединений (в виде текста) из абстрактной модели, записанной на языке описания аппаратуры ).
Проектирование печатной платы устройства с помощью системы автоматизированного проектирования ( САПР ) печатных плат ( Altium Designer , P-CAD и других), на которой размещается микросхема ПЛИС и прочие электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, генераторы, АЦП, разъёмы и другие).
Создание файла конфигурации ПЛИС.
Загрузка файла конфигурации в микросхему ПЛИС или в отдельную микросхему памяти. В результате загрузки микросхема ПЛИС обретает заданную функциональность.

Применение

ПЛИС широко используется для построения различных по сложности и по возможностям цифровых устройств, например:

устройств с большим количеством портов ввода-вывода (бывают ПЛИС с более чем 1000 выводов («пинов»));
устройств, выполняющих цифровую обработку сигнала (ЦОС);
цифровой видеоаудиоаппаратуры;
устройств, выполняющих передачу данных на высокой скорости;
устройств, выполняющих криптографические операции, систем защиты информации;
устройств, предназначенных для проектирования и прототипирования интегральных схем специального назначения (ASIC);
устройств, выполняющих роль мостов (коммутаторов) между системами с различной логикой и напряжением питания;
реализаций нейрочипов ;
устройств, выполняющих моделирование квантовых вычислений ;
устройств, выполняющих обработку радиолокационной информации.

Типы ПЛИС

Ранние ПЛИС

В 1970 году компания « Texas Instruments » (далее «TI») разработала масочные (то есть, программируемые с помощью маски, англ. mask-programmable ) интегральные схемы (далее ИС), основанные на ассоциативном ПЗУ (ROAM) фирмы « IBM ». Эта микросхема называлась TMS2000 и программировалась чередованием металлических слоёв в процессе производства ИС . TMS2000 имела до 17-и входов и 18 выходов с 8-ю JK-триггерами в качестве памяти. Для этих устройств компания «TI» ввела термин PLA — англ. — программируемая логическая матрица.

PAL

PAL ( англ. programmable array logic ) — программируемый массив (матрица) логики. В СССР PLA и PLM не различались и обозначились как ПЛМ ( п рограммируемая л огическая м атрица). Разница между PLA и PLM состоит в доступности программирования внутренней структуры (матриц).

GAL

GAL ( англ. generic array logic ) — это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу «И» и фиксированную матрицу «ИЛИ».

CPLD

CPLD ( англ. complex programmable logic device — сложные программируемые логические устройства) содержат относительно крупные программируемые логические блоки — макроячейки , соединённые с внешними выводами и внутренними шинами. Функциональность CPLD кодируется в энергонезависимой памяти , поэтому нет необходимости их перепрограммировать при включении. Может применяться для расширения числа входов/выходов рядом с большими кристаллами, или для предобработки сигналов (например, контроллер COM-порта , USB , VGA ).

FPGA

FPGA ( англ. field-programmable gate array ) содержат блоки умножения-суммирования, которые широко применяются при обработке сигналов (DSP, англ. digital signal processing ), а также логические элементы (как правило, на базе таблиц перекодировки — таблиц истинности) и их блоки коммутации. FPGA обычно используются для обработки сигналов, имеют больше логических элементов и более гибкую архитектуру, чем CPLD. Программа для FPGA хранится в распределённой памяти, которая может быть выполнена как на основе энергозависимых ячеек статического ОЗУ (подобные микросхемы производят, например, фирмы « Xilinx » и « Altera ») — в этом случае программа не сохраняется при исчезновении электропитания микросхемы, так и на основе энергонезависимых ячеек flash-памяти или перемычек antifuse (такие микросхемы производят фирмы « Actel » и « Lattice Semiconductor ») — в этих случаях программа сохраняется при исчезновении электропитания. Если программа хранится в энергозависимой памяти , то при каждом включении питания микросхемы необходимо заново конфигурировать её при помощи начального загрузчика, который может быть встроен и в саму FPGA. Альтернативой ПЛИС FPGA являются более медленные цифровые процессоры обработки сигналов. FPGA применяются также, как ускорители универсальных процессоров в суперкомпьютерах (например, компьютер « » компании « Cray », проект «RASC» компании « Silicon Graphics » («SGI»)).

Некоторые мировые производители ПЛИС

См. также

Примечания

С. 76 - 80. (2018). Дата обращения: 6 апреля 2020. 20 июня 2018 года.
от 9 декабря 2022 на Wayback Machine . rlocman.ru, 14.11.2019

Литература

Угрюмов Е. П. Глава 7. Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика, базовые матричные кристаллы / Цифровая схемотехника. Учеб. пособие для вузов. Изд.2, БХВ-Петербург, 2004. С. 357.