7.7. Сбис программируемой логики типа «система на кристалле»

7.7.1. Общие сведения

Кристаллы современных СБИС ПЛ максимальной сложности содержат миллионы эквивалентных вентилей, а их рабочие частоты достигли сотен мегагерц. На таких крис­таллах можно разместить целую систему со всеми ее характерными частями - процес­сором, памятью, интерфейсными схемами, обеспечив при этом высокую ее производи­тельность. Подобные кристаллы относят к классу «система на кристалле» (в английской терминологии SOC, System On Chip или SOPC, System On Programmable Chip).

Стратегическая значимость решения задачи создания законченных систем на од­ном кристалле очевидна и вытекает из известных закономерностей зависимости ка­чества цифровой аппаратуры от уровня интеграции ее элементной базы.

Реализация заказных систем на одном кристалле практически недоступна для подав­ляющего большинства пользователей по экономическим соображениям. СБИС програм­мируемой логики позволяют ставить задачу создания систем на одном кристалле как задачу сегодняшнего дня. Соответствующие средства уже появились в составе продук­ции ряда фирм.

СБИС типа «система на кристалле» можно разделить на две разновидности. Первая разновидность реализуется схемами просто настолько «большими», что на них можно сконфигурировать целую систему, причем ее части (процессор, память, интерфейсные схемы и другие блоки) реализуются как мегафункции библиотеки кристалла или проекти­руются разработчиком и реализуются, в сущности, идентичными аппаратными сред­ствами кристалла благодаря их программируемости. Такие СБИС ПЛ в английской терминологии иногда обозначают термином «generic».

Вторая разновидность - СБИС ПЛ блочного типа, в которых на кристалле выделяют специализированные области, предназначенные для выполнения определенных функ­ций - аппаратные ядра (hardcores). Поскольку системы самого разного назначения в качестве составных частей имеют типовые модули, вопрос о целесообразности приме­нения блочных структур СБИС ПЛ возник вполне закономерно.

Введение специализированных аппаратных ядер, имея ряд позитивных следствий, может в то же время сузить круг потребителей СБИС ПЛ, поскольку в сравнении со схема­ми типа «generic» схемы с аппаратными ядрами имеют меньшую универсальность.

Реализация сложных функций специализированными аппаратными ядрами по пло­щади кристалла и достижимому быстродействию значительно эффективнее в сравне­нии с реализациями на конфигурируемых логических блоках общего назначения. Напри­мер, для умножителя 88, построенного по модифицированному алгоритму Бута мето­дом заказного проектирования, потребовалась площадь кристалла в пять раз меньшая, чем для такого же умножителя, реализованного на реконфигурируемых логических бло­ках FPGA. Заметно выше было и быстродействие умножителя, реализованного в виде специализированной схемы.

Таким образом, введение специализированных аппаратных ядер в СБИС ПЛ - процесс, противоречивый по результатам. Он улучшает параметры схем, воспроизводящих сложные функции, но может и сузить рынок сбыта СБИС ПЛ, что, как известно, ведет к росту цен и потере в той или иной мере конкурентоспособности продукции. В связи с этим к выбору применяемых аппаратных ядер следует относиться с большой осторожностью. Наиболее бесспорным решением является применение аппаратных ядер памяти, так как блоки памяти нужны почти для всех систем, причем для многих в большом объеме. Для эффективного использования таких ядер целесообразно применять не слишком крупные блоки, обеспечи­вать возможность иметь асинхронный и синхронный режимы работы, организовывать буфе­ры FIFO и двухпортовую память. В среднем блок памяти с заказным проектированием емко­стью 256-512 бит может быть реализован на площади, приблизительно равной 1/10 от той, которая затрачивается на подобный блок, составленный из распределенных на кристалле ячеек памяти конфигурации. Времена доступа также уменьшаются (в 1,5-4 раза).

Области памяти - первые по времени освоения и самые важные аппаратные ядра блочных СБИС ПЛ типа «система на кристалле».

Других хорошо обоснованных аппаратных ядер не так уж много. Среди них можно на­звать схемы быстродействующих умножителей и схемы интерфейса JTAG, которые вы­полняют важные функции, нужные очень многим потребителям. По-видимому, самыми сложными из практически разработанных ядер являются контроллеры шины PCI, также необходимые в очень многих проектах и требующие максимального быстродействия.