Новая элементная база СБИС программируемой логики

Алексей Филиппов

Отечественным производителям электронной техники трудно конкурировать с зарубежными фирмами в области массового производства товаров широкого потребления. Однако для того, чтобы создавать сложную наукоемкую продукцию, в России сохранились условия, кадры, научный потенциал. Многие предприятия и учреждения способны разрабатывать уникальные электронные устройства. Высокотехнологичным “сырьем” для таких работ в области цифровой электроники служат легкодоступные на отечественном рынке электронные компоненты: микропроцессоры, контроллеры, СБИС памяти и т. п. - все, что позволяет решать задачи специальной обработки сигналов и вычислений программным путем (со свойственными этому пути достоинствами и недостатками).

Микропроцессорная техника давно и прочно укоренилась в отечественных компаниях. 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, а использование СБИС ПЛ, в отличие от специализированных СБИС, обеспечивает такую же гибкость реализации, как в любых программных решениях. В последние годы по динамике развития и производства СБИС ПЛ уступают только микросхемам памяти.

СБИС ПЛ представляют собой полузаказные СБИС и включают в себя реализованные на кристалле универсальные настраиваемые пользователем функциональные преобразователи с программируемыми связями. По сравнению с базовыми матричными кристаллами (БМК) использование СБИС ПЛ обеспечивает существенное уменьшение цикла разработки, экономический выигрыш при мелкосерийном (до нескольких тысяч изделий) производстве и возможность внесения изменений в проект на любом этапе разработки. Заказную СБИС или БМК для вашего уникального проекта разработают за несколько месяцев. Но только на СБИС ПЛ вы реализуете его сами за кратчайшее время и с минимальными затратами.

Разработчик специализированного цифрового устройства с помощью средств САПР СБИС ПЛ в привычной ему форме (схемы, текст) создает описание этого устройства и получает программирующий СБИС ПЛ-файл, который используется при прошивке на программаторе или непосредственно на плате. Программирование заключается в задании нужных свойств функциональным преобразователям и установлении необходимых связей между ними. Программируемыми элементами являются электронные ключи. Такой цикл проектирования - изготовления занимает незначительное время, изменения можно вносить на любой стадии разработки за считанные минуты, а внедрение новых средств проектирования на начальном этапе практически не требует материальных затрат.

Рис. 1. Логическая емкость СБИС ПЛ измеряется числом логических

вентилей и определяет возможности реализации сложных цифровых устройств

Существующие в настоящее время СБИС ПЛ, выпускаемые различными производителями, имеют разнообразную архитектуру и возможности. 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 ее выбор (рис. 1). Производители СБИС ПЛ стоят на передовых рубежах электронной технологии (на сегодняшний день 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 понадобились бы для реализации устройств той же сложности, что и на соответствующих СБИС. Среди основных производителей СБИС ПЛ назовем фирмы Altera (34% мирового объема продаж), Xilinx (33%), Actel (9%). Максимальную логическую емкость имеют СБИС ПЛ, выпускаемые фирмой Altera (семейства FLEX10K): в настоящее время она составляет 250 тыс. логических вентилей, а к концу 1998 г. достигнет 1 млн. (данные по состоянию на 01.06.98 г.).

Рис. 2. Различная архитектура функционального преобразователя позволяет

разработчику выбрать наиболее эффективную СБИС ПЛ для решения своих задач

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 или в виде суммы логических произведений (sum of product) или на 16-разрядных ПЗУ (таблицы перекодировки). Использование этих двух подходов в СБИС ПЛ основных фирм - производителей показано на рис. 2. СБИС ПЛ с функциональными преобразователями на базе сумм произведений позволяют проще реализовать сложные логические функции, а с преобразователями на базе таблиц перекодировки - создавать насыщенные триггерами устройства.

Различаются СБИС ПЛ организацией внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей (рис. 3). Большинство фирм выпускает сложные СБИС ПЛ, располагая функциональные преобразователи в виде квадратной матрицы на площади кристалла, при этом 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 (рис. 4). Функциональные преобразователи в этом случае группируются в блоки (например, в логический блок СБИС семейств FLEX10K фирмы Altera входит 8 преобразователей), имеющие свою собственную локальную шину межсоединений. Блоки обмениваются сигналами через шины межсоединений верхнего уровня. Проводники межсоединений непрерывны (т. е. не разделены на сегменты электронными ключами), что обеспечивает малые задержки распространения сигналов и позволяет существенно сократить количество электронных ключей. Кроме того, благодаря этому свойству логические блоки можно заменять без изменения временной модели устройства, что существенно ускоряет процедуру реализации проекта и упрощает временное моделирование.

Рис. 3. Организация внутренней структуры -основной

архитектурный признак, определяющий свойства СБИС ПЛ

Тип используемого программируемого элемента - электронного ключа - определяет возможности СБИС ПЛ по программированию, перепрограммированию и сохранению конфигурации при отключении питания. Наиболее перспективны программируемые элементы, выполненные по EEPROM- и FLASH-технологии (полевые транзисторы с плавающим затвором), обеспечивающие энергонезависимое сохранение конфигурации и многократное перепрограммирование (в том числе микросхемы, распаянной непосредственно на плате), а также элементы, выполненные по SRAM-технологии. Последние представляют собой электронный ключ и триггер оперативной памяти, в который при включении питания должна быть записана информация о конфигурации. SRAM-технология позволяет уменьшить энергопотребление и реконфигурировать СБИС ПЛ за десятки миллисекунд, обеспечивая исходную загрузку конфигурирующей памяти и при необходимости - реконфигурирование “на лету” для адаптации структуры реализуемого устройства. Особое место занимают семейства СБИС ПЛ фирмы Actel, программируемые элементы которых - antifuse - представляют собой pn-переходы, пробиваемые при программировании. Эти устройства имеют повышенную способность к сохранению конфигурации при спецвоздействиях, но не получили широкого распространения в силу 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 (семейство FLEX10K), Atmel (семейство AT40K), Xilinx (семейство 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 (теневые ОЗУ таблиц перекодировки объемом 32 бит в СБИС фирмы Xilinx и расположенные в узлах матрицы межсоединений блоки памяти объемом 32х4 бит в СБИС ПЛ фирмы Atmel).

Рис. 4. Непрерывные (несегментированные) соединения

и иерархическая структура СБИС ПЛ фирмы Altera

Возможности СБИС ПЛ чрезвычайно широки и удовлетворяют различным требованиям разработчиков цифровых устройств. На рис. 5 можно видеть, какие семейства СБИС ПЛ производятся фирмой Altera. Семейства FLEX (SRAM-технология конфигурирующих элементов) выпускаются в корпусах, имеющих до 600 выводов, требуют переконфигурирования каждый раз при включении питания и внесении изменений в функционирование СБИС, но обладают существенно большей логической емкостью по сравнению с энергонезависимыми семействами MAX и меньшим энергопотреблением в расчете на каждый функциональный преобразователь. Семейства MAX могут обеспечить задержку сигнала до 5 нс, в то время как у семейств FLEX эта задержка составляет не менее 8 нс. Наиболее перспективными семействами СБИС ПЛ фирмы Altera являются FLEX10K, FLEX6000, МАХ7000S и 7000А.

Рис. 5. СБИС ПЛ фирмы Altera имеют емкость до 250 000 эквивалентных

логических вентилей, выпускаются в различных корпусах и могут использоваться

как для реализации простейших контроллеров, так и для создания приложений системного уровня

Для разработки цифровых устройств на СБИС ПЛ фирма Altera предоставляет пользователям функционально полный пакет проектирования MAX+ PLUS II. Этот программный продукт может быть установлен на персональную ЭВМ с объемом ОЗУ 32 Мб или на рабочую станцию. Пакет имеет модульную структуру и в объеме, необходимом для реализации полного цикла проектирования, бесплатно доступен на www.altera.com, причем пользователь официально регистрируется и получает авторизованный код доступа. Входящие в свободно распространяемую версию пакета модули позволяют выполнить весь комплекс проектирования цифровых устройств на СБИС ПЛ с некоторыми ограничениями по номенклатуре и возможностям верификации проекта. Пакет проектирования MAX+ PLUS II имеет интуитивно понятный интерфейс, не требующий от разработчика цифровых устройств глубокого знания компьютера. Программирование СБИС ПЛ в специальных программаторах или непосредственно на плате осуществляют устройства BitBlaster или ByteBlaster, подключаемые соответственно к последовательному или параллельному порту компьютера. ByteBlaster имеет невысокую стоимость, кроме того, его можно легко изготовить по описанию, приведенному на Web-сайте компании Altela или в фирменной литературе.

Подробную информацию о СБИС ПЛ фирмы Altera и пакете проектирования MAX+PLUS II можно узнать у российского дистрибьютора компании “ЭФО” по телефону: (812) 247-6780 или E-mail: zav@efo.spb.su.