Проектирование цифровых устройств с использованием ПЛИС

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаА.Ю. ПоповПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛИСДопущено Учебно-методическим объединением вузовпо университетскому политехническому образованиюв качестве учебного пособия для студентов высшихучебных заведений, обучающихся по направлению230100 «Информатика и вычислительная техника»МоскваИздательство МГТУ им.

Н.Э. Баумана2009УДК 681.3(075.8)ББК 32.973.2П58Рецензенты:заведующий кафедрой «Вычислительные машины,системы и сети» МАИ, д-р техн. наук, профессор О.М. Бреховначальник отдела НИИ ИСУ МГТУ им. Н.Э. Баумана,канд. техн. наук А.С. РомановскийП58Попов А.Ю.Проектирование цифровых устройств с использованиемПЛИС: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.

Баумана,2009. — 80 с.ISBN 978-5-7038-3317-9Рассмотрены вопросы, связанные с проектированием цифровыхустройств на основе программируемых логических интегральных схем(ПЛИС). Даны сведения об архитектуре современных серий ПЛИС иобласти их применения. Приведены основы языка описания аппаратных средств VHDL и примеры описания на нем узлов ЭВМ: ОЗУ, цифровых автоматов, сумматоров, регистров, мультиплексоров, дешифраторов и т. д.

Описан маршрут проектирования с использованием САПРXilinx ISE. Рассмотрен состав этой системы. Описаны ее назначение,интерфейс и способы использования входящих в нее модулей.Для студентов, обучающихся по направлению «Информатика ивычислительная техника».УДК 681.3(075.8)ББК 32.973.2Учебное изданиеПопов Алексей ЮрьевичПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛИСРедактор Е.К.

КошелеваКомпьютерная верстка С.А. СеребряковойПодписано в печать 28.04.2009. Формат 60×84/16.Усл. печ. л. 4,65. Тираж 300 экз. Заказ.Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.ISBN 978-5-7038-3317-9© Попов А.Ю., 2009© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009ПРЕДИСЛОВИЕРазработка цифровых устройств, обладающих высоким быстродействием и сложностью, невозможна без применения специализированных систем автоматизированного проектирования(САПР), систем моделирования и макетирования. Комплексныетребования к готовому изделию, такие как низкая стоимость, малое время разработки и модернизации, предельное быстродействие, заставляют разработчиков использовать универсальные средства и методы проектирования.

Указанным качествам в настоящеевремя соответствуют технология проектирования устройств на основе микропроцессоров, а также технология проектирования с использованием программируемых логических интегральных схем(ПЛИС). В пособии рассматриваются архитектура современныхПЛИС и процесс проектирования устройств на их основе.31. АРХИТЕКТУРА ПЛИС1.1. Программируемые логические матрицыи программируемая матричная логикаИстория развития интегральных схем (ИС) с программируемойструктурой насчитывает уже более 30 лет. Основой для современных ПЛИС послужили несколько типов полузаказных ИС, такихкак программируемые логические матрицы (ПЛМ, ProgrammableLogic Array, PLА), программируемая матричная логика (ПМЛ,Programmable Array Logic, PAL), базовые матричные кристаллы(БМК, Gate Array, GA).

Появление электронных схем с программируемой логикой функционирования было вызвано потребностью внестандартных компонентах. Выпуск таких компонентов в виде заказных ИС в большинстве случаев экономически не целесообразен.ПЛМ позволяют реализовать n логических функций от m аргументов и содержат последовательно соединенные k связями (термами) матрицы элементов И и элементов ИЛИ (рис. 1). Помимоэтого в матрице И могут быть использованы инвертированныевходные сигналы, что позволяет реализовывать функции в дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ).Изготовленная на заводе ПЛМ содержит матрицы со всемивозможными связями (на рис.

1 показаны точками): матрица И позволяет получить k конъюнкций входных сигналов, а матрицаИЛИ — n дизъюнкций термов. В этом случае программированиезаключается в разрушении излишних связей (например, для ПЛМК556РТ1). В другом варианте в исходной ПЛМ все связи отсутствуют, а программирование заключается в их создании.Структура ИС ПМЛ позволяет более полно использовать ресурсы кристалла при проектировании простых устройств. В отличие от ПЛМ в таких микросхемах программирование возможно4только для матрицы И, а матрица ИЛИ фиксирована (рис. 2). Ограничения на состав и число термов позволяют усложнить остальные части ПМЛ.Рис.

1. Структура ПЛМРис. 2. Структура ПМЛ5С момента своего создания функциональные возможностиПЛМ и ПМЛ были расширены благодаря следующим усовершенствованиям:• введению двунаправленных, обратных и межэлементных связей, что позволяет наращивать число термов функций (например,отечественные ПЛМ К1556ХП8);• введению элементов памяти, что позволяет проектировать наоснове ПЛМ и ПМЛ синхронные цифровые автоматы;• программированию выходных буферов для выдачи выходныхсигналов в прямом или инверсном виде;• использованию мультиплексоров для выбора альтернативныхпутей прохождения сигналов, репрограммируемых точек связи ипамяти конфигурации, позволяющих разработчикам неоднократнопрограммировать функциональность и связность частей ПЛМ иПМЛ.Результатом эволюции ИС указанных типов стали сложныепрограммируемые логические устройства (СПЛУ, ComplexProgrammable Logic Devices, CPLD), которые будут подробнорассмотрены ниже.1.2.

Базовые матричные кристаллыПодобно ПЛМ и ПМЛ, БМК позволяют с малыми экономическими затратами реализовать нестандартную схемную логику.Созданная по этой технологии ИС называется матричной большойинтегральной схемой (МаБИС).Использование БМК основано на том факте, что любое сложное устройство состоит из стандартных функциональных частей,таких как логические или схемотехнические элементы, буферы,усилители и т. д.

Для обеспечения требуемой функциональностипредусматривается включение в структуру БМК избыточного числа таких частей без их коммутации. Окончательная же функциональность определяется на заключительных этапах производстваМаБИС с помощью создания нескольких слоев коммутации, наносимых на стандартную заготовку. Таким образом, заказчик микросхемы с нестандартной логикой индивидуально оплачиваеттолько часть дорогостоящей подготовки к мелко- или среднесерийному производству, в то время как бόльшая часть издержек на6изготовление масок делится на всех заказчиков.

Такой подход нашел широкое применение с середины 1970-х годов. В нашей стране выпускались БМК семейств 1806ХМ1, 1515ХМ1, 1593ХМ1,1537ХМ1, 1592ХМ1 и др. Обобщенная структура БМК показана нарис. 3.Рис. 3. Структура БМК:1 — макроячейка; 2 — буферная ячейка; 3 — внешниеконтактные площадки; 4 — участки для прокладкитрасс соединенийЗаготовка БМК состоит из макроячеек, содержащих регулярноповторяющиеся базовые ячейки. Состав и взаимное расположениебазовых ячеек определяются возможностью максимально эффективной реализации стандартных компонентов (функциональныхячеек). Между макроячейками имеются свободные участки, необходимые для прокладки трасс межсоединений. На периферии БМКразмещаются буферные ячейки, содержащие усилители, шинныеформирователи и т. д. В непосредственной близости от буферныхячеек располагаются контактные площадки для электрическогосоединения внутренних цепей с выводами микросхемы.При совершенствовании функциональных возможностей БМКбыли использованы следующие принципы:• наращивание числа базовых ячеек в макроячейках и числамакроячеек на БМК;• усложнение блоков ввода/вывода (добавление буферов, шинных формирователей, введение двунаправленных выводов и выводов с третьим состоянием);7• введение в структуру БМК законченных функциональныхблоков (ОЗУ, ПЗУ и т.

д.);• применение программируемых точек связи совместно с реализацией матриц коммутации и памяти конфигурации, что позволяетперепрограммировать функциональность и связность частей БМК.Совершенствование технологии изготовления БМК привело кпоявлению программируемых пользователем вентильных матриц(ППВМ, Field Programmable Gate Arrays, FPGA). Однако из-за невысокой стоимости и достаточно высокого быстродействия производство и применение БМК, ПЛМ и ПМЛ не утратило актуальности.В англоязычной терминологии современные полузаказные ИС, подобные БМК, носят название Mask Programmable Gate Arrays.Используются и другие разновидности полузаказных ИС, таких какИС на стандартных ячейках (Structured Application Specific IntegratedCircuits, Structured ASIC).

Наибольшее быстродействие обеспечивают полностью заказные ИС (ApplicationSpecific Integrated Circuits, ASIC).ПЛИСПрограммирование связности частейсовременных ПЛИС осуществляется сОднократнопомощью многочисленных линий, пропрограммируемыеложенных на кристалле в ортогональныхНа основенаправлениях и соединенных програмперемычекмируемыми точками связи (рис. 4).Однократно программируемые ПЛИСНа основевыпускаются с программируемыми точEPROM-OTPками связи на основе пережигаемых перемычек antifuse, ячеек памяти EPROMРепрограммируемыеOTP. Такие устройства обладают многими достоинствами: низкой стоимоНа основеEPROMстью, повышенной устойчивостью квоздействию радиации, быстрой готовНа основеностью при включении, возможностьюEEPROMобеспечения повышенной секретностипроектов и др.На основе SRAMСреди ПЛИС с репрограммируемымисвязями наиболее широко распроРис.

4. Классификациястраненыустройства на основе триггерПЛИС по типу программируемых связейной памяти конфигурации (рис. 5). В8ПЛИС других типов используются элементы на ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM) и репрограммируемым ПЗУ сэлектрическим стиранием (EEPROM).AЯчейкапамятиРис. 5. Программируемая точка связина основе статической памятиB1.3. ПЛИС типа CPLDМикросхемы типа CPLD выпускаются многими зарубежнымипроизводителями.

Среди разработчиков радиоэлектронной аппаратуры наиболее популярны ПЛИС фирм Xilinx, Altera, Actel. Рассмотрим более подробно архитектуру ПЛИС типа CPLD серииXC9500, выпускаемых фирмой Xilinx.В ПЛИС типа CPLD многократно реализованы элементы ПЛМили ПМЛ, функциональность которых расширена благодаря добавлению обратных связей, использованию триггерной памяти,применению реконфигурируемых связей и программируемойфункциональности. ПЛИС типа CPLD состоит из нескольких простых функциональных блоков (SPLD), соединенных матрицеймежсоединений (рис.