Статья - Программируемые логические интегральные схемы в модулях фирмы Fastwel

ВЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРАВладимир Беломытцев, Михаил КашинПрограммируемыелогические интегральныесхемы в модулях фирмыFastwelД ОСТОИНСТВАИ ПРОБЛЕМЫПРИМЕНЕНИЯ80Достоинства программируемых ло!гических интегральных схем (ПЛИС)хорошо известны. Во!первых, при со!здании специализированных логи!ческих устройств разработчик неограничен возможностями имею!щейся в его распоряжении элемент!ной базы: для большинства современ!ных ПЛИС имеются библиотеки, со!держащие всё необходимое, от про!стейших логических элементов до мик!ропроцессоров.

Во!вторых, ПЛИСпозволяют сократить сроки внедренияреализованных на них устройств засчет упрощения процесса наладки: раз!работчик без посторонней помощи мо!жет многократно корректировать схе!му, не внося изменений в печатныймонтаж.В!третьих,применениеПЛИС часто позволяет существенноуменьшить габариты аппаратуры посравнению с аналогичными устройст!вами, реализованными на традицион!ных БИС.Можно привести ещё много аргу!ментов в пользу применения ПЛИС,однако существуют и некоторые пре!пятствия, останавливающие потен!циальных пользователей.

Одно изних — необходимость разработкиспециальной печатной платы для ус!тановки интерфейсных разъемов,пассивных элементов и, разумеется,самой микросхемы. Разводка, изго!товление, наладка и, как правило, пе!реразводка и повторное изготовлениетребуют значительных материальныхи временных затрат. В результатемногие предпочитают вместо изго!товления оригинальной платы сПЛИС приобрести несколько уни!версальных (а значит, избыточных посоставу) плат, реализующих ту жефункцию. Последствия очевидны:увеличение энергопотребления, сто!www.cta.ruПрограммируемый модуль вводавыводаUNIO965имости и габаритов аппаратуры, сни!жение ее надежности.Один из путей для преодоления это!го препятствия предлагает фирмаFastwel: ее модули содержат уже уста!новленные и соответствующим обра!зом соединенные между собой ПЛИСXilinx, в которые пользователь можетсам загружать нужные ему схемы.М ОДУЛИ UNIO ХХ 5так и в составе IBM PC совместимыхкомпьютеров.Кроме интерфейсного блока ISA, мо!дуль UNIOxx!5 (рис.

1) включает в се!бя набор ПЛИС XС5204 (от однойдо четырех штук, в зависимости отмодификации модуля) и БИС эле!ктрически перепрограммируемогоПЗУ (EEPROM).UNIOxx!5 является многоканаль!ным модулем ввода!вывода дискрет!ных сигналов. Внешние источникисигналов подключаются при помощи26!контактных разъёмов. Контактыкаждого из разъёмов соединены с вы!водами одной из ПЛИС. В настоящеевремя поставляются две модификациимодуля: UNIO96!5 и UNIO48!5 с коли!чеством каналов, соответственно, 96 и48, которое зависит от количества уста!новленных на плате ПЛИС.

Уровнивходных и выходных сигналов соответ!ствуют уровням КМОП.Впрочем, область применения моду!лей не ограничивается вводом!выво!дом сигналов, правильнее будет её оха!рактеризовать как построение про!граммируемых пользователем перифе!рийных устройств для информацион!но!управляющих вычислительных си!стем.ПЛИС XС5204, составляющие осно!ву модуля, выполнены по 0,5!микрон!Модули UNIOxx!5 выполнены вформате MicroPC, предложенном бо!лее 10 лет назад фирмой Octagon Sys!tems для вычислительных систем, ра!ботающих в жёстких ус!ловиях эксплуатации, натранспорте, в промыш!ленности, в военной тех!нике и т.п.

В соответст!виисидеологиейMicroPC модули снабже!ны интерфейсным бло!ком шины ISA и краевымразъёмом, благодаря че!му могут использоватьсяв качестве модулей рас!ширения как в специаль!ных крейтах MicroPC, Рис. 1. Структура модуля UNIOxx5СТА 3/2001© 2001, CTA Тел.: (095) 2340635 Факс: (095) 2321653 http://www.cta.ruВ ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРАной КМОП!технологии. Микросхемасодержит 6000 логических вентилей(Logic Gates), сгруппированных в кон!фигурируемые логические блоки(CLB). Выполняемые каждым CLBфункции и взаимосвязи между нимиописываются последовательностьюбитов, хранимой во внутреннем стати!ческом ОЗУ ПЛИС.

При включениипитания конфигурационная информа!ция загружается в ОЗУ каждой ПЛИСиз микросхемы EEPROM ПЗУ.М ОДУЛИ CPU1885И RTU188Этот подход — использование про!граммируемых пользователем перифе!рийных устройств на базе ПЛИС ! по!лучил дальнейшее развитие в одно!платных контроллерах фирмы FastwelCPU188!5 и RTU188.Модули заслуживают внимания помногим причинам (их техническиехарактеристики и описания можнонайти по адресу ftp://prosoft.ru), одна!ко в контексте данной статьи наи!больший интерес представляет реа!лизация периферийных уст!ройств, входящих в ихсостав: все основ!ные функциональ!ные узлы контрол!леров выполнены наПЛИС Xilinx XC9572 иXCS20.

Одним из такихузлов является блок дис!кретного ввода!вывода,полностью эмулирующиймодуль UNIO48!5. Так же как «насто!ящий» модуль UNIO48!5, блок ввода!вывода после загрузки конфигураци!онной информации превращается впериферийное устройство, выполня!ющее функции, определенные поль!зователем.К ОНФИГУРИРОВАНИЕОбычно для загрузки конфигураци!онной информации в ПЛИС применя!ется один из двух способов:● с использованием программатора;● при помощи специального устройст!ва, обеспечивающего обмен инфор!мацией через JTAG!интерфейс.Второй способ, получивший назва!ние ISP (In System Programming), болееудобен, так как не требует извлечениямикросхемы конфигурационного ПЗУ(или самой ПЛИС) из платы. Однако иэтот способ не лишен недостатков: тре!буется приобрести адаптер JTAG и дер!жать его все время «под рукой».СТА 3/2001В изделиях Fastwel для конфигуриро!вания ПЛИС используется третий спо!соб, являющийся дальнейшим разви!тием идеи ISP: конфигурационная ин!формация хранится в виде файла, а принеобходимости передается в модуль пошине ISA и копируется в EEPROMПЗУ.

Преимущества такого решенияочевидны: для загрузки не требуетсядополнительных аппаратных средств,имеется возможность производить«динамическое конфигурирование»ПЛИС, то есть изменять круг решае!мых ею задач без прекращения функ!ционирования вычислительной систе!мы. Реализация этой возможности мо!жет быть особенно полезна, например,при построении отказоустойчивых си!стем управления, когда в случае обна!ружения неисправности требуется ав!томатически перераспределитьфункции отказавшего ус!тройства среди ис!правных.Специализированныймикроконтроллер RTU188Для модулей UNIOxx!5 в настоящеевремя разработано больше двух десят!ков универсальных схем («прошивок»).Каждой схеме присвоен буквенно!ци!фровой идентификационный код.

Имяконфигурационного файла образуетсяиз этого кода и расширения .bit.В каждую ПЛИС может быть загру!жена своя «прошивка». Загрузка произ!водится при помощи свободно распро!страняемой программы isp.com. Для за!грузки достаточно запустить программусо следующими параметрами:isp BA C D E FЗдесь BA — базовый адрес модуля;C, D, E, F — имена конфигурацион!ных файлов, загружаемых в первую,вторую, третью и четвертую ПЛИС, со!ответственно.Базовый адрес модуля (000h…3F0h)располагается в области ввода!выводаи задается съёмными перемычками ин!терфейсного узла шины ISA.

Напри!мер, для загрузки в каждую ПЛИС мо!дуля UNIO96!5 c базовым адресом110h конфигурации С00 (24 16!разряд!ных счетчика) достаточно набрать в ко!мандной строке:isp 110 с00 с00 c00 c00Однократно записанная информа!ция может храниться в ПЗУ в течениевсего срока эксплуатации модуля.Однако иногда, например в процессеотладки аппаратуры, требуется мно!гократнопроизводитьзагрузкув один и тот же модуль различных«прошивок». В этом случае предпо!чтительным является использованиедругой загрузочной программы —isl.com. Программа загружает конфи!гурацию не в EEPROM ПЗУ, а непо!средственно в ОЗУ ПЛИС, что поз!воляет сократить время загрузкии сэкономить ресурс ПЗУ. В этом ре!жиме после отключения питанияконфигурационная информация те!ряется, а после повторного включе!ния питания загрузка производит!ся из ПЗУ.Конфигурационные файлыдля контроллеров СPU188!5 иRTU188 имеют то же обозна!чение, что их функциональныеаналоги для модулей UNIO48!5.

Од!нако они отличаются по формату и за!гружаются при помощи специальныхпрограмм isp188.com и isl188.com.Этим исчерпываются отличия для поль!зователя между модулем UNIO48!5 иэмулирующейегомикросхемойXCS20.Б АЗОВЫЙНАБОР СХЕМБольшую часть существующих «про!шивок» можно найти на ftp!серверефирмы ПРОСОФТ ftp://prosoft.ru.

Ихперечень представлен в таблице 1.Несколько слов о наиболее часто ис!пользуемых схемах.Прежде всего, это «прошивки», обес!печивающие ввод!вывод дискретныхсигналов. Наиболее характерная изних — P55. ПЛИС, в которую загруже!на эта «прошивка», эмулирует извест!ную микросхему 8255 в режиме 0. Ка!налы группами (две группы по 8 и двегруппы по 4 канала) могут быть запро!граммированы как входы или выходы.Все входы снабжены схемами подавле!ния дребезга.