Оглавление

Введение 1

1 Микросхемы с программируемой структурой 2

1.1 Место ПЛИС в ряду современной элементной базы 2

1.2 Классификация программируемых логических интегральных схем 4

1.3 ПЛИС архитектуры CPLD 6

1.3.1 Программируемая матрица соединений 7

1.4 ПЛИС архитектуры FPGA 8

1.4.1 Классические архитектуры FPGA 9

1.5 ПЛИС с комбинированной архитектурой 9

Блоки параллельно-последовательных преобразований данных (блоки SERDES) 11

1.6 Заключение. Особенности архитектур CPLD и FPGA 11

Введение

Вы­числительные машины второй половины ХХ века ведут свою историю от универсального компьютера фон Неймана, в котором процесс решения зада­чи организован как последовательное во времени выполнение простых опе­раций. Каждая операция выполняется по своей команде, совокупность команд образует программу, разработанную для решения данной задачи. Со­став аппаратных средств фиксирован (процессор, память, устройства ввода/вывода данных), и изменение решаемой задачи отражается лишь на числе и составе команд программы. Такой процесс решения соответствует программной интерпретации алгоритмов. При этом в целом сохраняется принцип последовательного во времени исполнения алгоритма.

Программный метод интерпретации алгоритмов не является единственным способом решения задач. Можно применять структурную или, как еще гово­рят, аппаратную интерпретацию алгоритма. В этом случае также выполня­ется множество отдельных простых операций. Но для выполнения отдельных действий применяются свои функциональные блоки, соединяемые в цепь определенной структуры. Функциональные характеристики блоков и характер соединений между ними соответствуют алгоритму решения задачи. Иными словами для получения решения создается структура, отображающая интерпретируемый алгоритм. Алгоритм реализуется за счет продвижения данных и образования по путям обработки (асинхронно или при тактировании) от входов к выходам схемы, с которых снимается результат. Команды для выполнения отдельных операций отсутствуют. Это обеспечивает распределе­ние решения задачи не только во времени, но и в пространстве. Естествен­ным образом достигается высокая степень параллелизма. В этом случае со­став аппаратных средств тесно связан с решаемой задачей. Усложнение зада­чи ведет к увеличению количества используемого оборудования. Изменение задачи требует изменения состава компонентов и способов их соединения.

Последовательное выполнение большого числа элементарных шагов при компьютерном решении задачи занимает относительно большое время. Кро­ме того, независимость аппаратных средств от сложности решаемой задачи имеет и оборотную сторону - даже для простейших задач нужны блоки, об­разующие компьютер в целом. Таким образом, простые задачи и задачи, ко­торые должны решаться в реальном масштабе времени, могут привести к не­обходимости применения аппаратных вариантов решения. Понятие "реально­го времени" означает, что результат должен быть получен за ограниченный интервал времени, иначе он становится бесполезным.

1 Микросхемы с программируемой структурой

1.1 Место ПЛИС в ряду современной элементной базы

По признаку ориентации на массовое потребление или на конкретный заказ цифровые интегральные схемы можно разделить на стандартные и специа­лизированные.

Стандартные ИС производятся массовыми тиражами и приобретаются потре­бителем как готовые изделия (off-the-shelf). Для них стоимость проектирова­ния раскладывается на большое число изделий, поэтому цена стандартных ИС оказывается сравнительно невысокой. Возможность затрачивать большие средства на проектирование характерна только для разработки микросхем массового производства.

Специализированные интегральные схемы (СпИС, ASICs) в той или иной ме­ре приспосабливаются изготовителем к конкретному заказу. Подчеркнем, что здесь речь идет о влиянии индивидуального заказа именно на процесс изготовления кристалла на предприятиях электронной промышленности. Степень индивидуализации, проявляющаяся при изготовлении, различна для разных классов СпИС и сильно влияет на их технико-экономические харак­теристики.

Рис. 1.1. Классификация цифровых интегральных схем

Проектирование ИС - процесс сложный и дорогостоящий, поэтому жела­тельно в максимальной степени строить аппаратуру на основе стандартных ИС, не прибегая к заказу на разработку своих вариантов.

К стандартным относятся следующие виды цифровых ИС.

• Микросхемы малого и среднего уровней интеграции МИС и СИС (SSI, Small Scale Integration и MSI, Medium Scale Integration). Этот класс пред­ставлен хорошо известными стандартными сериями элементов (К155, HC74 и т.д.).

• БИС/СБИС микропроцессоров МП (МР, Microprocessors) и микроконтрол­леров МК (МС, Microcontrollers).

• БИС/СБИС запоминающих устройств (Метогу IC), относящиеся к наибо­лее массовым ИС с широкой номенклатурой.

• Интегральные схемы с программируемой пользователем структурой (ИСПС). В ИСПС задание схеме определенной внутренней структуры (кон­фигурирование схемы) выполняется потребителем, изготовитель в этом процессе не участвует и поставляет на рынок продукцию массового про­изводства, при годную для многих покупателей. Вследствие массовости производства высокая стоимость проектирования становится приемлемой и ИСПС могут иметь высокий уровень интеграции, близкий к максималь­ному для данных технологических условий. Это ведет к улучшению важ­нейших параметров микросхем (быстродействия, надежности, компактно­сти, стоимости/ЛЭ и др.). В английской терминологии стандартные для проuзводителя микросхемы, структура которых приспосабливается к ре­шаемым задачам самим проектировщиком, называют ASSP (Applicatioп Specific Staпdard Products).

До появления ИСПС специализированные проекты на основе БИС/СБИС в зависимости от конкретных условий (слож­ности проекта, его тиражности, требований к техническим и экономическим характеристикам, отведенного для реализации времени и т. д.) выполнялись В следующих вариантах:

• на базовых матричных кристаллах (вентильных матрицах) - полузаказные;

• на микросхемах, спроектированных по методу стандартных ячеек - заказные;

• на полностью заказных микросхемах - заказные.

Полностью заказные схемы целиком проектируются для конкретного заказ­чика. Разработчик имеет полную свободу действий, определяя схему по сво­ему усмотрению вплоть до уровня схемных компонентов (размеров отдель­ных транзисторов и т. п.). Для подготовки производства полностью заказной схемы требуется проектирование ее структуры и элементов, изготовление всего комплекта фотошаблонов, верификация и отладка всех схемных фраг­ментов. Разработка таких схем требует затрат больших средств и времени, максимальных в сравнении со всеми другими методами разработки СпИС. Как полностью заказные могут выполняться стандартные микросхемы (мик­ропроцессоры, микроконтроллеры, память и др.) с большими объемами вы­пуска. Трудоемкость их разработки составляет сотни человеко-лет. Стои­мость разработки доходит до десятков млн долларов. Поскольку заказные БИС/СБИС от начала до конца разрабатываются для конкретного проекта, они оптимальны по качеству, но чрезвычайно дороги в разработке и практи­чески недоступны для малотиражных проектов ..

Схемы на стандартных ячейках (SCL, Stal1dard Сеll Logic) отличаются от полностью заказных тем, что при их проектировании отдельные фрагменты берутся из заранее разработанной библиотеки схемных решений. Такие фрагменты уже хорошо отработаны, поэтому стоимость и длительность про­ектирования уменьшаются. Для производства схем тоже требуется изготов­ление полного комплекта фотошаблонов, но разработка шаблонов облегчена. Потери сравнительно с полностью заказными ИС состоят в том, что проекти­ровщик имеет меньше свободы в построении схемы, т. е. результаты ее опти­мизации по критериям площади кристалла, быстродействию и т. д. менее эф­фективны. Метод стандартных ячеек при создании высокотиражной продук­ции достаточно популярен, т. к. В сравнении с полностью заказными БИС/СБИС с его помощью при некоторых потерях в технических характе­ристиках можно заметно упростить проектирование схемы.

К полузаказным относятся схемы, реализованные на основе базовых матрич­ных кристаллов (БМК). Базовые матричные кристаллы называют также вен­тильными матрицами (ВМ), что соответствует принятому для БМК англий­скому термину GA (Gate Array).

Среди БМК различают MPGA (Mask Programmable Gate Arrays) и LPGA (Laser Programmable Gate Arrays). В обоих случаях имеется исходный стан­дартный полуфабрикат, который доводится до готового изделия с помощью индивидуальных соединений. Реализация на кристалле необходимых связей при малом числе слоев металлизации требует изготовления лишь малого чис­ла фотошаблонов (для MPGA) или цикла операций разрушения некоторых заранее изготовленных межсоединений лазерным лучом (для LPGA).

Хотя стоимость и длительность проектирования на основе БМК в сравнении со схемами, разработанными методом стандартных ячеек, сокращаются, ре­зультат еще дальше от оптимального. В МАБИС, т. е. в матричных БИС, реа­лизованных на БМК, менее рационально используется площадь кристалла (на кристалле остаются неиспользованные элементы и т. п.), длины связей не минимальны, и быстродействие не максимально.

Сходство методов проектирования на БМК и стандартных ячейках состоит в применении библиотек функциональных элементов. При проектировании вначале из набора библиотечных элементов подбираются необходимые бло­ки, а затем решаются задачи их размещения и трассировки. Различие в том, что для схем, проектируемых по методу стандартных ячеек, библиотечный набор имеет более выраженную топологическую свободу.

Приведенные выше сведения иллюстрируют естественную ситуацию: чем дороже проектирование схемы, тем выше ее качество (в частности, занимае­мая схемой площадь кристалла) и ниже стоимость изготовления каждого эк­земпляра. Затраты на проектирование и подготовку производства (NRE, Non Recurring Engineering) однократны, затраты на изготовление присущи каждо­му экземпляру микросхем. Это определяет экономически обоснованные об­ласти применения различных методов разработки микросхем как зависящие от тиражности и сложности проектов.

Р
ис. 1.2. Стоимость разработки и изготовления СпИС типа SCL (на стандартных ячейках)

1.2 Классификация программируемых логических интегральных схем

Интегральные схемы с программируемой пользователем структурой (ИСПС) существуют уже около 30 лет и к настоящему времени представлены множе­ством разнообразных серий и семейств. Программирование структур пользо­вателем вначале было применено в программируемых логических матрицах (ПЛМ) и программируемой матричной логике (ПМЛ), получивших объеди­ненное название PLD (Programmable Logic Devices) или SPLD (Simple PLD). Вслед за ними возникли новые, более сложные ИСПС - CPLD (Сотрlех PLD), продолжающие линию развития матричной логики, и FPGA (Field Programmable Gate Aгrays) - преемники базовых матричных кристаллов. За­тем были реализованы ИСПС комбинированной (смешанной) архитектуры, сочетавшие признаки CPLD и FPGA, которые в настоящее время все больше приближаются по своей структуре к FPGA.

Рассмотрим классификацию ПЛИС по двум признакам:

• Типу памяти конфигурации и связанному с ним числу допустимых циклов перепрограммирования.

• Архитектуре (типу функциональных блоков, характеру системы межсоединений).

Классификация ИСПС по кратности программирования

Классификация ИСПС по кратности программирования, определяемой типом памяти конфигурации (теневой памяти), приведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Классификация ИСПС по признакам кратности программирования (типу теневой памяти)

Однократно программируемые ИСПС строятся на основе элементов с необратимыми изменениями состояний - специальных перемычек или транзи­сторов с плавающими затворами, не имеющих средств стирания инфор­мации.

В простых ПЛИС первых поколений применялись плавкие перемычки (типа fuse). В таких ПЛИС в исходном состоянии имеются все возможные соедине­ния, а для получения требуемой схемы часть перемычек разрушается (пере­жигается). В течение многих лет велась большая работа по подбору материа­лов перемычек и усовершенствованию технологических процессов програм­мирования, тем не менее для ПЛИС высокого уровня интеграции схемы с плавкими перемычками не подошли (в классификации они не указаны).

В однократно программируемых FPGA применяют пробиваемые перемычкu типа aпtifuse. В исходном состоянии сопротивления перемычек, имеющих диэлектрические слои, чрезвычайно велики, а в пробитом достаточно малы. Точки связи, реализуемые перемычками, имеют высокое качество (компакт­ность, надежность, малые задержки, стойкость). Больших успехов в разра­ботке пробиваемых перемычек добились фирмы Actel, QuickLogic (перемычки ViaLink), Crosspoint Solution (кремниево-аморфные перемычки) и Xilinx (перемычки MicroVia).