Проектирование цифровых фрагментов
· Курс «Информационные технологии
· в проектировании ЭВС»
· Лекция №10
· «Технологии проектирования ИСПС»
10.1. Проектирование цифровых фрагментов на заказных ИС и стандартных дискретных компонентах
Необходимость проектирования цифровой части современных систем (обычно отвечающей за логику функционирования) на дискретных компонентах малой и средней интеграции, несмотря на рост интеграции ИС, сохранилась, хотя объем такой продукции существенно уменьшился и в настоящий момент составляет около 10—20%. В любом проекте может возникнуть ситуация, когда часть ИС не может быть включена в БИС общего назначения и целесообразно использование элементов МИС. В методике проектирования при ориентации только на этот тип элементной базы за последнее время особых изменений не произошло. Наиболее существенные изменения произошли в самом подходе к созданию проектов, замещающих ранее созданные системы, которые были реализованы на дискретных компонентах или включали значительные фрагменты с подобной реализацией.
При решении задачи перевода реализации таких фрагментов на современную элементную базу разработчик ставится перед выбором наиболее рационального варианта. Необходимость перевода диктуется не только и не столько престижными соображениями, сколько экономическими. Стоимость ИС старого типа (из разных соображений и причин) не только не уменьшается, а иногда даже и увеличивается (малый спрос, например, приводит к сокращению или даже прекращению выпуска неперспективных СИС и МИС). Вместе с тем, во многих проектах остаются фрагменты, требующие использования специализированных ИС. Примерами фрагментов, которые обычно не включаются в состав общецелевых БИС, являются фрагменты, решающие следующие общесистемные проблемы: создание ИС осцилляторов частоты со средними или высокими требованиями к точности реализации, гальваническая развязка на основе оптронных элементов, отдельные мощные элементы, элементы сопряжения различных систем элементов и т. д.
Рекомендуемые материалы
Поэтому наряду с выпуском ИС с увеличенной логической мощностью и функциональными или эксплуатационными возможностями продолжается выпуск МИС, реализующих отдельные логические функции. Например, фирма Fairchild Semiconductor производит семейство ИС под названием TinyLogic, которое представляет собой реализацию в одном корпусе (различных габаритов) одной единственной функции, например функции 2И-НЕ или аналогового ключа.
Для разработчиков цифровых фрагментов фирмы-производители электронного оборудования предлагают различные варианты технологической реализации. Если исключить разработку полностью заказных схем, то у разработчика остаются направления, показанные на рис. 2.7.
Возможно проектирование по четырем основным направлениям: традиционная реализация на дискретных схемах СИС/МИС, реализация на ПЛИС, программная интерпретация цифровой схемы на МК и реализация в форме полузаказного кристалла того или иного типа. Естественно, при физической реализации конечной продукции может оказаться целесообразным применение любых комбинаций перечисленных вариантов. Более того, реализация ряда комбинаций может оказаться целесообразной и в рамках единой БИС.
Так, например, уже появлялись сообщения и об объединении в одной БИС схемы ASIC и фрагмента ПЛИС. Этот вариант иногда считают средним путем реализации полузаказных схем. Его же ряд производителей называет вариантом ПЛИС со встроенными стандартными блоками. Последнее определение представляется предпочтительным, т. к. в большей мере отражает способ создания структуры такой комбинированной БИС. Следует ожидать, что номенклатура блоков, относимых к стандартным, будет постоянно увеличиваться, и у разработчика появится большая свобода выбора реализации БИС.
В тех случаях, когда при переходе к реализации в другом типе БИС проект не меняет своего функционирования, а сама процедура перевода выполняется в автоматическом или полуавтоматическом режимах, процесс носит название конвертация проекта. На рис. 2.7 показаны такие варианты переходов от одного способа реализации к другому.
Каждый базовый вариант проектирования характеризуется своим специфическим потоком проектирования, более того, маршруты проектирования у разных фирм могут отличаться. Представляется целесообразным более подробно остановиться на потоках проектирования, характерных для основных вариантов реализации.
10.2. Реализация в базисе дискретных элементов типа МИС и СИС
Рассмотрим традиционную реализацию в базисе дискретных элементов типа МИС и СИС. На рис. 2.8 показан маршрут проектирования, характерный для такого способа реализации цифровых фрагментов.
При традиционном проектировании основные изменения коснулись предоставляемой элементной базы и возможностей САПР. Эти изменения взаимосвязаны, например, увеличение объема доступной к использованию номенклатуры ИС потребовало включения характеристик этих элементов в состав библиотек САПР. Целый ряд фирм — Mentor Graphics Corporation, Synplicity, Innoveda (прежде ViewLogic, Inc.) — предлагают САПР, ориентированные на задачи проектирования систем класса ASIC. Приведенное на рисунке распределение функций, естественно, является условным. В некоторых случаях фирма-изготовитель готова взять на себя большую долю проектных работ, чем изображено на рисунке.
Для рассматриваемого направления САПР изменяют и сам подход к проектированию, существенно расширяя и добавляя к нему новые возможности. Наибольшее внимание в современных САПР при этом уделяется проблеме верификации и тестирования разработки, где главным инструментом служит моделирование. Основной проблемой в моделировании раньше являлась ограниченная вычислительная мощность компьютеров, на которых устанавливались САПР. Производительность современных компьютеров (даже персональных) настолько возросла, что стало возможно моделирование сложных систем (содержащих большое число элементов) за приемлемые временные сроки, при этом не только увеличена адекватность результатов моделирования, но и скорость и простота получения результатов, теперь почти не связанных со сложностью проекта. В САПР последних поколений не только увеличены объемы библиотек стандартных элементов, но и предпринимаются значительные усилия по упрощению корректировки состава и параметров этих библиотек, включая корректировки через ресурсы сети Интернет. Современные САПР, в отличие от САПР предыдущего поколения, предполагают выполнение значительно большего числа сервисных операций. Значительная часть улучшений сосредоточена в сфере моделирования свойств будущего проекта. Например, САПР позволяют автоматически определять: критические пути (фрагмент схемы, имеющий максимальный путь с критическими по скорости распространения сигнала задержками); максимально допустимую тактовую частоту; места возникновения рисков; места и условия возникновения самопроизвольной генерации фрагмента; вычисление требуемых значений времен предустановки или удержания сигналов и т. д. Увеличивается число сервисных функций САПР, предназначенных для выпуска пригодной к тестированию аппаратуры (например, выполняется автоматическая генерация тестовых векторов как для моделирования, так и для организации экспериментов с реальной аппаратурой).
10.3. Реализация цифровых фрагментов на ПЛИС
Вам также может быть полезна лекция "10 - История развития вычислительной техники".
Возможным, а зачастую целесообразным вариантом реализации системы, является ее полное или частичное воплощение на ПЛИС. Поскольку проектированию цифровых фрагментов систем на основе ПЛИС и положительным эффектам, связанным с такой реализацией, будут уделены последующие разделы книги, здесь отметим только те моменты, которые могут, по нашему мнению, препятствовать переводу проектов на этот вариант изготовления. Проектирование на ПЛИС является существенно новым направлением, которое еще недостаточно поддержано выпуском учебной и научной литературы. Одним из моментов отказа от реализации на ПЛИС может стать необходимость при проектировании обязательно (хотя бы на этапах программирования) пользоваться специальными САПР и, конечно, требование модернизации на начальных этапах парка средств сопровождения разработок. Отсутствие отечественных разработок современных ПЛИС — еще один фактор, в определенных ситуациях останавливающий реализацию конечной продукции на этом типе БИС. Нехватка соответствующих квалифицированных кадров, и отсутствие у разработчиков навыков грамотного схемотехнического проектирования схем на основе ПЛИС может также являться причиной нежелания создания продукции на этом типе ИС. Специфика внутренней организации ПЛИС требует замены целого ряда традиционных схемотехнических решений на другие. Наиболее важной представляется ориентация на организацию тактированной работы отдельных узлов ПЛИС, и непривычным для многих разработчиков оказывается невозможность построения различных времязадающих цепей на основе резисторов и конденсаторов. Помощь даже мощной САПР не заменяет опыта проектировщика, а только упрощает и ускоряет его работу, и далеко не всегда САПР может отличить хороший проект от плохого.
10.4. Реализация цифровых фрагментов в форме однокристального микроконтроллера
Выполнение цифрового фрагмента в микроконтроллерной форме также во многих случаях может быть удачным решением задачи, стоящей перед разработчиком. В момент появления первых МК многим проектировщикам показалось, что понадобится совсем немного времени, и все цифровые проекты окажутся реализованными на однокристальных МК или, в худшем случае, на МПС. В действительности этого не произошло. Конечно, определенный (и не малый) сектор рынка электронной продукции этот способ реализации цифровых фрагментов захватил и продолжает удерживать. Однако подобная реализация требует от проектировщика знаний и умений по разработке программного обеспечения, привлечения специального оборудования для целей отладки ПО и т. д.
Кроме того, опыт использования МК-техники показал, что далеко не все проекты удачно ложатся в русло традиционной однокристальной реализации. Существенным ограничением, например, является трудность создания цифровых фрагментов, реализующих быстрое взаимодействие нескольких параллельных процессов управления. Для таких приложений воплощение на ПЛИС может оказаться более предпочтительной. Как и в варианте перевода МК-проекта на реализацию в форму SOPC желательно, чтобы проектировщик совмещал в одном лице и схемотехника, и программиста.
