Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекция 1

.pdf
Скачиваний:
106
Добавлен:
11.04.2019
Размер:
255.67 Кб
Скачать

История возникновения, общие свойства и особенности программируемых

логических микросхем

Традиционно, со времен возникновения первых компьютеров, вычисли-

тельные системы способны обрабатывать информацию по определённому алго-

ритму. Решение любой задачи для вычислительной системы является последова-

тельностью вычислений или команд, называемой программой. Известно, что во ветви многих алгоритмов могут быть независимы между собой по данным и вы-

полняться одновременно. С развитием вычислительной техники были разрабо-

таны и внедрены принципы параллельного выполнения нескольких команд, в

том числе конвейерные и суперскалярные системы, параллельное выполнение нескольких программ в многопроцессорных системах и т. п., однако, в целом в подобных системах сохраняется принцип последовательного во времени испол-

нения алгоритма. При этом , принципы архитектуры машин фон Неймана накла-

дывают ограничение на быстродействие подобных систем: сочетание процессо-

ра, устройства управления и «пассивной» памяти приводит к конфликтам по данным, тракт обмена процессора с памятью становится узким местом системы.

В связи с этим также применяются различные технические решения, которые позволяют минимизировать эти недостатки, например, использование кэш-

памяти, физическое разделение шин команд и данных и т.д., но это не приводит к качественному увеличению производительности таких систем.

Программный метод интерпретации алгоритмов не является единствен-

ным способом решения задач. Можно применять структурную или, иными сло-

вами, аппаратную интерпретацию алгоритма. В основу положена идея о «маши-

не, управляемой потоком данных».

В этом случае алгоритм также разбивается на множество отдельных про-

стых операций. Но для выполнения отдельных действий применяются свои функциональные блоки, объединяемые в специального вида структуру. Функ-

циональные характеристики блоков и характер соединений между ними соответ-

ствуют алгоритму решения задачи. Иными словами, для получения решения создается аппаратная структура, интерпретирующая алгоритм решения задачи. В

1

такой архитектуре отсутствует понятие «пассивная память данных», а в языке потоков данных нет понятия «переменная»: данные перемещаются из команды в команду по мере выполнения программы. Кроме того, в данном случае не ис-

пользуются понятия: «передача управления», «счетчик команд» и «ветвление вычислительного процесса». Вместо этого команды (операторы) управляются данными. Считается, что команда готова к управлению (т. е. её выполнение раз-

решено), если данные присутствуют в каждом из ее входных портов и отсутст-

вуют в выходном порте. Программа представляет собой направленный граф, об-

разованный соединенными между собой командами: выходной порт одной ко-

манды соединен с входным портом другой команды. Таким образом, порядок выполнения команды определяется не счетчиком команд, а движением потока данных в командах. Так достигается высокая степень параллелизма естествен-

ным образом.

В этом случае, состав аппаратных средств тесно связан с решаемой зада-

чей. Изменение задачи ведет к изменению количества аппаратных затрат. Аппа-

ратные методы решения задач важны и в ряде случаев незаменимы. Многие приложения, такие как моделирование динамических объектов, управление дви-

жением (в частности управление движением совокупности объектов), обработка сигналов и изображений в реальном времени, компьютерная графика и подоб-

ные, связаны с многократным выполнением сравнительно простых операций,

причем такие задачи требуют выполнения до нескольких миллиардов операций в секунду.

Остановимся подробнее на некоторых путях реализации задач аппарат-

ными средствами. Для создания аппаратных средств решения задач нужен набор различных элементов, узлов и устройств. Такой набор можно реализовать на микросхемах разного уровня интеграции, характеризующиеся количеством то-

пологических элементов (транзисторов): малого (МИС) (до 100), среднего (СИС) (до 1000), большого (БИС) (до 10000) и сверхбольшого (СБИС) (более 10000).

Применение исключительно БИС/СБИС существенно улучшает ключевые пара-

метры аппаратуры (стоимость, быстродействие, надежность, энергопотребление)

по сравнению с системами, выполненными на МИС и СИС. В то же время на пу-

ти реализации схем в виде БИС/СБИС могут возникнуть большие экономиче-

2

ские трудности, поскольку разработка специализированных БИС/СБИС чрезвы-

чайно дорога и требует больших затрат времени (стоимость проектирования со-

ставляет от десятка до сотен миллионов долларов, а время разработки — от по-

лугода до нескольких лет). Такие затраты могут оправдаться только при боль-

ших тиражах выпуска микросхем. Тогда высокая стоимость их проектирования раскладывается на большое число изготовленных экземпляров (порядка сотен тысяч или более), чего не удаётся достичь при проектировании специализиро-

ванных вычислительных средств.

Желание сократить время и уменьшить стоимость разработки готового специализированного вычислительного устройства системах привело к возник-

новению программируемых аппаратных структур. Возможность простого и бы-

строго программирования универсальных структур, и одновременно низкая стоимость за счет большого тиража, сделала технологию БИС/СБИС доступны-

ми для большинства разработчиков, однако такие структуры имели возможность только однократного программирования.

Следующим этапом развития технологии программируемых микросхем стала разработка микросхем с перепрограммируемой структурой, что позволяет изменить функциональные характеристики, путём простой замены конфигура-

ционного файла, не изменяя схемотехники. Эти технологии, а также разработка систем автоматизированного проектирования (САПР) данных микросхем позво-

лили упростить отладку и доработку уже готовых специализированных вычис-

лительных устройств. В настоящее время некоторые разновидности перспектив-

ных СБИС программируемой логики допускают полную или частичную рекон-

фигурацию в оперативном режиме, без извлечения микросхемы из работающей системы.

Классификация цифровых ИС

Элементную базу электронной аппаратуры обработки и хранения инфор-

мации составляют интегральные схемы (ИС). В зависимости от характера сигна-

лов, отображающих информацию, средства ее обработки разделяют на цифро-

вые, аналоговые и аналого-цифровые. Далее речь пойдет о цифровых ИС, а их классификация приведена на рис.1.

3

Прежде всего, по признаку ориентации на потребителя цифровые инте-

гральные схемы можно разделить на стандартные и специализированные. Стан-

дартные ИС приобретаются потребителем как законченные устройства и произ-

водятся массовыми тиражами, что позволяет компании-разработчику подобных микросхем затрачивать большие средства на их проектирование. Стандартные ИС традиционных видов имеют жесткую внутреннюю структуру, и разработчик не может влиять на характер их функционирования.

Специализированные ИС (СпИС), имеют индивидуальный характер функ-

ционирования, и компании приходится в той или иной мере разрабатывать (про-

ектировать) по конкретному заказу, и затраты на проектирование подобной мик-

росхемы ложатся на заказчика. Проектирование ИС — процесс сложный, долгий и дорогостоящий, поэтому понятно стремление в максимально возможной сте-

пени строить аппаратуру на основе стандартных ИС.

4

Рис.1. Классификация цифровых интегральных схем

Кстандартным относятся следующие виды цифровых ИС:

1.Микросхемы малого и среднего уровней интеграции МИС и СИС, в анг-

лийской терминологии SSI (Small Scale Integration) и MSI (Medium Scale Integration). Этот класс микросхем представлен многочисленными и хоро-

шо известными с давних пор стандартными сериями элементов. Необхо-

димость использования таких микросхем в отдельных ситуациях сохраня-

ется и сейчас, но построение на них сложных устройств нерентабельно.

5

2.БИС/СБИС микропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК). Много-

численные микросхемы МП и МК широко и успешно применяются при решении задач программной реализации алгоритмов.

3.СБИС запоминающих устройств (ЗУ), относящиеся к наиболее массовым ИС с широкой номенклатурой, применяемым в устройствах и системах разного назначения для хранения данных.

4.Интегральные схемы с программируемой пользователем структурой

(ИСПС). Именно эти СБИС открывают возможности использования мик-

росхем высокого уровня интеграции в проектах практически любой ти-

ражности. В ИСПС задание схеме определенной внутренней структуры

(конфигурирование схемы) выполняется разработчиком, изготовитель в этом процессе не участвует и поставляет на рынок универсальную продук-

цию, пригодную для решения широкого круга задач. Именно ИСПС явля-

ются основным объектом изучения данного курса.

Вопросы реализации проектов на элементной базе высокого уровня интегра-

ции сейчас привлекают к себе основное внимание разработчиков систем и специалистов электронной промышленности. В этом направлении важнейшим достижением явилось появление ИС с программируемой структурой. До их создания специализированные проекты в зависимости от конкретных условий

(сложности проекта, его тиражности, требований к техническим и экономиче-

ским характеристикам, времени на его реализацию и т. д.) традиционно вы-

полнялись в следующих вариантах:

1.- на микросхемах малого и среднего уровня интеграции;

2.- на полузаказных микросхемах, базовых матричных кристаллах (БМК);

3.- на заказных микросхемах, спроектированных по методу стандартных ячеек;

4.- на полностью заказных микросхемах.

Специализированные ИС, как уже отмечалось, в той или иной мере проек-

тируются для конкретного заказчика. При этом от заказчика, как правило, тре-

буются затраты значительных средств при длительных сроках разработки СпИС.

Для преодоления трудностей создания специализированных ИС был предложен ряд методик их проектирования, соответственно которым существует и несколь-

6

ко разновидностей СпИС (в английской терминологии СпИС обозначаются об-

щеизвестным термином ASIC, Application Specific Integrated Circuit).

Для программирования ASIC нужна разработка специальных фотошабло-

нов, отражающих пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной микросхемы и связей между ними. Эта разработка тре-

бует больших затрат средств и времени. Применяя для целей конфигурирования программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), можно исключить разработку фотошаблонов и сравнительно простыми способами получить эф-

фективные средства построения цифровых систем, содержащие набор схем с не-

обходимым функционированием.

Среди СпИС (ASIC) различают классы полузаказных и заказных ИС. Раз-

новидностями заказных микросхем являются полностью заказные ИС (Fully Custom IC) и ИС, спроектированные методом "на стандартных ячейках" (Standard Cell Logic). Полностью заказные схемы целиком проектируются по требованиям конкретного заказчика. Проектировщик имеет полную свободу действий, оптимизируя схему по своему усмотрению вплоть до самого низкого,

схемного уровня. Для изготовления схемы требуется разработка всего комплекта фотошаблонов (20-30 штук), проверка и отладка всех схемных фрагментов. Та-

кие схемы очень дороги и имеют длительные циклы проектирования.

Заказные схемы на стандартных ячейках отличаются от полностью заказ-

ных тем, что их фрагменты берутся из заранее разработанной библиотеки схем-

ных решений. Такие фрагменты уже хорошо отработаны, поэтому стоимость и длительность проектирования при их использовании снижаются. Для производ-

ства схем тоже требуется изготовление полного комплекта фотошаблонов, но их разработка значительно упрощается. Потери сравнительно с полностью заказ-

ными ИС состоят в том, что проектировщик имеет меньше свободы в построе-

нии схемы, т. е. результаты ее оптимизации по критериям площади кристалла,

величинам задержки сигналов внутри кристалла и т. д. менее эффективны. Ко-

нечно, наилучших технических параметров добиваются от полностью заказных схем, однако метод стандартных ячеек популярен, так как при небольших поте-

рях в технических характеристиках с его помощью можно заметно ускорить и уменьшить стоимость проектирования микросхемы. Полностью заказные схемы

7

разрабатываются за время, превышающее время разработки схем методом стан-

дартных ячеек приблизительно в два раза.

К полузаказным схемам относятся базовые матричные кристаллы БМК (в

английской терминологии MPGA, Mask Programmable Gate Arrays, или LPGA, Laser Programmable Gate Arrays). В этом случае имеется стандартный полуфаб-

рикат, который доводится до готового изделия с помощью индивидуальных межсоединений. Реализация требует изготовления лишь малого числа фотошаб-

лонов (для MPGA) или цикла операций разрушения некоторых межсоединений лазерным лучом (для LPGA). Хотя стоимость и длительность проектирования в сравнении с полностью заказными схемами сокращаются в 3—4 раза, результат проектирования неоптимальный по сравнению с заказными микросхемами. При-

чина заключается в том, что в БМК нерационально используется площадь кри-

сталла (на кристалле остаются неиспользованные элементы и т. п.), длины свя-

зей не минимальны, и, как следствие, быстродействие не максимально.

Сходство методов проектирования на БМК и стандартных ячейках состо-

ит в использовании библиотек функциональных элементов. Различие — в том,

что для схем, проектируемых по методу стандартных ячеек, библиотечный на-

бор элементов имеет более выраженную топологическую свободу, т.е. не стан-

дартизуются размеры ячеек.

При проектировании вначале из набора библиотечных элементов подби-

раются необходимые функциональные блоки, а затем решаются задачи их раз-

мещения и трассировки. Существует, естественно, и большое различие в числе шаблонов, которое требуется изготавливать для производства БМК и заказных ИС по методу стандартных ячеек.

Методика, а соответственно, и САПР для проектирования по методу стан-

дартных ячеек более сложны, чем для проектирования на основе БМК, которому свойственны более жесткие топологические ограничения. Требования относятся и к методу стандартных ячеек (постоянство высоты ячеек, предопределенность геометрических размеров и положения шин питания, тактирования и др.), но по мере применения более мощных САПР ограничения ослабляются. Длительность изготовления БИС/СБИС методом стандартных ячеек превышает этот же пока-

затель для ИС на основе БМК в 1,3—1,8 раза.

8

Таким образом, как показано выше, заказные БИС/СБИС от начала до конца разрабатываются для конкретного проекта. В них нет лишних элементов,

оптимально размещены подсхемы и их межсоединения. Свойственная заказным схемам оптимизация БИС/СБИС по конкретному техническому заданию мини-

мизирует площадь кристалла, т. е. удешевляет его производство в будущем, по-

зволяет добиться максимального быстродействия разрабатываемого устройства.

Обратной стороной является дороговизна и большие временные затраты на раз-

работку полностью заказной БИС/СБИС, требуется спроектировать и изготовить полный комплект фотошаблонов (15—20 штук). Стоимость проектирования и изготовления каждого шаблона составляет десятки тысяч долларов. Современ-

ный уровень затрат на создание комплекта фотошаблонов для производства БИС/СБИС можно приблизительно охарактеризовать следующими цифрами для технологий с минимальными контролируемыми размерами: 0,18 мкм это 300350 тыс. долларов, для 0,13 мкм – около 500 тыс. долларов, а для 0,1 мкм – 750

тыс. долларов и более.

Реализация проектов на ИС с программируемой пользователем структу-

рой позволяет успешно заменять заказные и на стандартных ячейках микросхе-

мы. В настоящее время проектирование систем и логических устройств больше перемещается в сторону широкого использования программируемых схем для проектов любой степени сложности. ИСПС существуют уже больше 30 лет и к настоящему времени представлены множеством разнообразных семейств. Про-

граммирование структур вначале было применено в программируемых логиче-

ских матрицах (ПЛМ), программируемой матричной логике (ПМЛ) и БМК.

Вслед за ними возникли новые классы более сложных ИСПС, продол-

жающих линии развития матричной логики и базовых матричных кристаллов: CPLD и FPGA. Затем были реализованы ИСПС комбинированной (смешанной)

архитектуры, сочетавшие признаки CPLD и FPGA. Позднее удалось разработать ИСПС с аналоговыми и аналого-цифровыми элементами, которые называют программируемые аналоговые интегральные схемы (ПАИС).

9

Основные свойства микросхем программируемой логики

ПЛИС рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективная элементная база для построения цифровой аппаратуры разнообразного назначе-

ния. Появляются и новые возможности реализации на программируемых микро-

схемах аналоговых и аналого-цифровых устройств. Перспективность ПЛИС ба-

зируется на ряде их достоинств:

Универсальность и связанный с нею высокий спрос со стороны раз-

работчиков, что обеспечивает массовое производство;

Низкая стоимость, обусловленная массовым производством и высо-

ким процентом выхода годных микросхем при их производстве вследствие достаточно регулярной структуры;

Высокое быстродействие и надежность как следствие реализации на базе передовых технологий и интеграции сложных устройств на од-

ном кристалле;

Разнообразие конструктивного исполнения, поскольку обычно одни и те же кристаллы поставляются в корпусах для различных условий применения;

Разнообразие в выборе напряжений питания и параметров сигналов ввода/вывода, а также режимов энергосбережения, что особенно важно для портативной аппаратуры с автономным питанием;

Наличие разнообразных, хорошо развитых и эффективных САПР,

малое время разработки и отладки проектов, выпуска готовой про-

дукции;

Простота модификации проектов на любых стадиях их разработки.

Для перспективных вариантов ПЛИС с динамическим перепрограммиро-

ванием отметим и дополнительную специфическую черту: возможность по-

строения на базе динамически перепрограммируемых микросхем новых классов аппаратуры с многофункциональным использованием одних и тех же блоков.

10

Соседние файлы в предмете Программирование логических интегральных схем