10 марта 2016г.
Программируемая логическая интегральная схема - электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем (ЦИС). В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) не определяется при изготовлении, а задается посредством программирования. Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL [1, 2, 3].
В настоящее время одним из активно развивающихся направлений разработок является аппаратура для телекоммуникаций. На базе технологии ПЛИС реализуются коммутаторы и системы защиты информации. Отличие ПЛИС от микроконтроллеров заключается в том, что данная интегральная схема позволяет реализовать свой собственный контроллер. Переконфигурировав внутренние блоки нужным образом, можно получить микросхему, выполняющую на аппаратном уровне требуемые функциональные действия [2].
Современные ПЛИС характеризуются низкой стоимостью, высоким быстродействием значительными возможностями, многократностью перепрограммирования, низкой потребляемой мощностью.
Так как главным отличительным свойством ПЛИС является возможность их само настройки на выполнение заданных функций, то выполним обзор и анализ выпускаемой продукции ведущими мировыми производителями ПЛИС:
1. Фирма Altera Corporation (101 Innovation Drive, San Jose, CA 95134, USA, www.altera.com) была основана в июне 1983 года. В настоящее время High End продуктом этой фирмы является семейство АРЕХ20К. ПЛИС фирмы Altera выпускаются с возможностью программирования в системе непосредственно на плате. Для программирования и загрузки конфигурации устройств опубликована схема загрузочного кабеля ByteBlaster и ByteBlasteMV. Следует отметить, что новые конфигурационные ПЗУ ЕРС2 позволяют программирование с помощью этого устройства, поэтому исчезает необходимость иметь программатор, что, естественно, снижает стоимость владения технологией [4].
В настоящее время компания Altera Corporation осуществляет выпуск нового 10-го поколения своих ПЛИС FPGA и систем на кристалле (SoC), позволяющих системным разработчикам выйти на качественно новый уровень производительности и энергоэффективности.
ПЛИС FPGA и системы на кристалле семейства Stratix 10 разработаны с целью удовлетворить требования самых передовых, сверх высокопроизводительных приложений для рынков коммуникационного, военного, широковещательного оборудования, систем потоковых вычислений и хранения больших массивов данных, и в тоже время обеспечить значительное снижение энергопотребления. Благодаря применению 14-нанометрового технологического процесса Tri-Gate компании Intel и усовершенствованной высокопроизводительной архитектуре, ПЛИС и системы на кристалле семейства Stratix 10 поддерживают рабочую частоту свыше 1 ГГц и имеют вдвое большую производительность по сравнению с существующими 28 нм ПЛИС FPGA старших моделей. В системах с наиболее ограниченными требованиями к уровню энергопотребления, ПЛИС семейства Stratix 10 позволяют разработчикам снизить мощность потребления на 70%, сохранив производительность на уровне устройств предыдущего поколения.
ПЛИС FPGA и системы на кристалле Startix 10 отличаются самым высоким в отрасли уровнем производительности и системной интеграции и поддерживают:
· более 4 млн. логических элементов (LE) на одном кристалле;
· высокоскоростные приемопередатчики с пропускной способностью до 56 Гбит/с;
· систему цифровой обработки сигналов (DSP) с единичной точностью, производительностью более 10 трлн. операций с плавающей точкой в секунду (10 TeraFLOPs);
· сверх высокопроизводительную процессорную подсистемы третьего поколения;
· многокристальные 3D решения, обеспечившие интеграцию SRAM и DRAM памяти и специализированных ИС (ASIC) в одном устройстве.
2. Компания Xilinx, Inc. (2100 Logic Drive, San Jose, CA 95124-3400, USA, www.xilinx.com) была основана в феврале 1984, ее High End продуктом являются ПЛИС семейства Virtex. Архитектура семейства Virtex характеризуется широким разнообразием высокоскоростных трассировочных ресурсов, наличием выделенного блочного ОЗУ, развитой логикой ускоренного переноса [5].
Архитектура FPGA обладает достаточной гибкостью и на ее базе можно реализовывать распараллеливание операций, что позволяет существенно повысить производительность всей DSP-системы. Наиболее традиционные примеры применения FPGA: реализация КИХ-фильтров, быстрого преобразования Фурье, цифрового преобразования с понижением частоты, блоков прямого исправления ошибок. Микросхемы семейств FPGA Virtex-4 и Virtex-5 фирмы Xilinx включают до 512 параллельных умножителей, работающих на частоте свыше 500 МГц, что позволяет достичь производительности системы цифровой обработки сигнала 256 GMAC. При построении DSP-системы операции, требующие высокоскоростной обработки данных в параллельном режиме, реализуются на базе FPGA, а операции высокоскоростной последовательной обработки – с помощью DSP- процессоров. Такое распределение ресурсов системы позволяет добиться оптимального соотношения цена- качество и снизить энергопотребление.
Дополнительные возможности для распараллеливания операций обработки сигнала, оптимального распределения функций в системе с сопроцессором на базе FPGA обеспечивает наличие встроенных в FPGA процессоров. Микропроцессорное ядро MicroBlaze (soft processor, по терминологии Xilinx) предусматривает возможность реализации его на ПЛИС различных серий и часто оказывается удобным для организации управления системой. Более производительный процессор PowerPC реализован на кристалле в виде отдельного аппаратного блока системы на кристалле [5].
ПЛИС FPGA позволяет организовать ускорение и распараллеливание операций различными способами. Например, блок на основе FPGA может быть непосредственно включен в тракт обработки данных DSP-системы. Другой возможный вариант – реализация аппаратного ускорителя на базе одного из встроенных процессоров.
Эффективность применения встроенных процессоров ПЛИС FPGA достигается за счет использования встроенных процессоров, обеспечивающих снижение общей стоимости создаваемой DSP-системы, так как они обеспечивают выполнение некритичных, тем самым минимизируя общее количество аппаратных ресурсов, необходимых для реализации системы.
3. Компания Actel Corporation (955 East Arques Avenue, Sunnyvale, CA 94086-4533, USA, www.actel.com) была основана в 1985 году. Особенностью ПЛИС Actel является применение так называемой Antifuse технологий, представляющей собой создание металлизированной перемычки при программировании. Данная технология обеспечивает высокую надежность и гибкие ресурсы трассировки и не требует конфигурационного ПЗУ [6].
Компания Actel Corporation выпускает широкий спектр программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) практически для всех областей электроники. Наиболее значимая продукция Actel в виде радиационно- стойких программируемых матриц применяется в военной и аэрокосмической отраслях. Кроме этого, компания Actel представляет семейства ПЛИС для удовлетворения потребностей в области портативной и энергозависимой электроники, а также предоставляет возможности для построения систем на кристалле (СнК), обеспечивая большую гибкость по сравнению с традиционными решениями на аппаратных микроконтроллерах [6].
Для примера можно взять семейство Actel ProAsic3. Семейство ProASIC3 характеризуются низкой стоимостью и низким энергопотреблением. Данное семейство FPGAs, включает серии ProASIC3/E, ProASIC3 nano, и ProASIC3L. Устройства ProASIC3 поддерживают «софт» ядро IP процессора ARM®™ Cortex -M1. Семейства ProASIC3 основаны на энергонезависимой Flash технологии и поддерживают от 10000 до 3000000 логических вентилей и до 620 портов ввода/вывода [6].
Они могут быть использованы в портативных, промышленных, коммуникационных и медицинских приложениях с коммерческими и индустриальными температурными диапазонами. Компания Actel также предлагает серию ProASIC3 FPGAs со специализированным экранированием для автомобильных и военных систем.
Особенностями ПЛИС семейства ProASIC3 являются:
· низкое потребление электроэнергии;
· небольшие себестоимость единицы продукции и общей стоимости системы;
· работа ядра системы при напряжении 1.2 V или 1.5 V;
· поддержка 128-битового декодирования AES для конфигурации устройства;
· работает сразу после включения в сеть, наличие ОЗУ памяти, 1024 бит Flash –памяти и улучшенной структура ввода/вывода;
· поддержка «софт» процессора ARM® ™ Cortex -M1;
· применение в автомобильном (T-сорт) и широком военном температурном диапазоне;
· сертификация ISO/TS 16949:2002.
В настоящее время актуальным является использование языков описания аппаратуры (Hardware Description Languages) для реализации алгоритмов на ПЛИС, причем в современных системах (САПР) поддерживаются как стандартизованные языки описания аппаратуры, такие как VHDL, Verilog HDL, так и языки описания аппаратуры, разработанные компаниями-производителями ПЛИС специально для использования только в своих САПР и учитывающие архитектурные особенности конкретных семейств ПЛИС [3].
Развитие современных электронных систем управления, сбора и обработки данных, а также необходимость сокращения сроков разработки требуют создания новых классов и новых технологических принципов разработки микроэлектронных устройств. Основным средством решения данной проблемы являлось применение специализированных заказных ЦИС (Application Specific Integrated Circuits, ASIC) [3].
В данный момент используется методология проектирования «систем на кристалле», допускающая многократное использование готовых, предварительно протестированных сложнофункциональных блоков. Эта методология обеспечила значительное повышение производительности проектирования. В качестве технологической платформы для реализации цифровых систем на кристалле могут использоваться ПЛИС – их применение позволяет значительно сократить время разработки и обеспечивает возможности оперативной модификации систем на кристалле. Такая технология позволяет в полной мере использовать как характерные особенности самих ПЛИС. На базе современных ПЛИС будут реализованы все цифровые функциональные блоки системы и получена полная структура системы за исключением аналоговых устройств. Разработка СнК на основе ПЛИС (System-on-Programmable-Chip) предполагает использование программируемых кристаллов, конфигурирование которых позволяет создавать достаточно сложные цифровые устройства. Таким образом, становится актуальной задача повышения эффективности использования ПЛИС в качестве технологической платформы для создания систем на кристалле [7].
Выводы.
1. Современное семейство фирмы Xilinx обладает более улучшенными техническими характеристиками по сравнению с продукцией в области разработки ПЛИС, выпускаемой ее конкурентами.
2. При разработке оригинальной аппаратуры значительно уменьшаются размеры устройства, снижается потребляемая мощность и повышается надежность.
3. ПЛИС семейства Stratix 10 фирмы Altera позволяет разработчикам снизить мощность потребления на 70%, сохранив производительность на уровне устройств предыдущего поколения.
4. Использования ПЛИС FGPA обеспечивает выполнение некритичных с точки зрения производительности операций, тем самым минимизируя общее количество аппаратных ресурсов, необходимых для реализации системы.
5. Компания Actel представляет семейства ПЛИС для удовлетворения потребностей в области портативной и энергозависимой электроники, а также предоставляет возможности для построения систем на кристалле (СнК), обеспечивая большую гибкость по сравнению с традиционными решениями на аппаратных микроконтроллерах.
6. Cемейство Actel ProAsic3 могут быть использованы в портативных, промышленных, коммуникационных и медицинских приложениях с коммерческими и индустриальными температурными диапазонами.
Список литературы
1. Евстифеев А.В. ―Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы Atmel‖. – Москва: Издательский дом Додека 21, 2004. С. - 355 стр.
2. Зотов В. Особенности архитектуры нового поколения высокопроизводительных ПЛИС FPGA фирмы Xilinx серии Virtex-6. http://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-podhoda-k-vyboru-plis-dlya-proektirovaniya- pim-sistem, дата обращения к сайту – 29.03.2015 г.
3. Зотов В. Новое семейство высокопроизводительных ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы Xilinx Virtex-6 HXT. http://www.kit-e.ru/articles/plis/2010_1_56.php, дата обращения к сайту – 04.04.2015 г.
4. Зотов В. Особенности архитектуры нового поколения ПЛИС с архитектурой FPGA фирмы Xilinx. http://www.kit-e.ru/articles/plis/2010, дата обращения к сайту – 04.04.2015 г.
5. Карпов С. Actel: новые технологии, передовые решения, Электроника НТБ, 2007, №7. – 5 с.
6. Майская В. Программируемые логические микросхемы // Электроника: наука, технология, бизнес. http://www.kit-e.ru/articles/plis/2010 2004. №4., дата обращения к сайту – 20.04.2015 г.
7. Описание микросхем семейства Actel RTAX_DSP. http://www.kit-e.ru/articles/plis/2010_1_56.php, дата обращения к сайту – 12.04.2015 г.
