Программируемой архитектурой

В связи с ростом интереса к проблемам разработки электронной аппаратуры растет и потребность в соответствующей учебной и производственно-справочной литературе. Предлагаемая книга посвящена проблемам проектирования аппаратуры на современной элементной базе, в первую очередь, на микросхемах с программируемыми структурами. Наиболее развитыми и широко применяемыми в этой области являются цифровые программируемые микросхемы (ПЛИС) и, естественно, основное внимание в книге уделено именно этим компонентам. Но и состояние разработок, и методологию проектирования аналоговых (ПАИС) и цифроаналоговых программируемых микросхем авторы в некоторой мере попытались представить.

Заказные БИС/СБИС существенно дороже полузаказных в проектировании, но затраты на изготовление каждого экземпляра уже спроектированной схемы у них меньше. Затраты на проектирование (подготовку производства) однократны, затраты на изготовление присущи каждому экземпляру микросхемы. Отсюда видны экономически обоснованные области применения заказных и полузаказных БИС/СБИС. Для массового производства, когда стоимость подготовки производства (проектирования) раскладывается на большое число микросхем, в общей стоимости экземпляра микросхемы будет преобладать стоимость его изготовления и целесообразно заказное проектирование. Так проектируются микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти. Для специализированных средств с меньшими тиражами заказное проектирование чаше всего неприемлемо. В эпоху появления БМК альтернативным вариантом проектирования БИС/СБИС с тираж-ностью в десятки тысяч экземпляров стало полузаказное. Позднее возможности упрощения и удешевления процесса разработки БИС/СБИС многократно возросли в связи с появлением новых и эффективных вариантов ИС с программируемыми структурами.

ПЛИС мегавентильного уровня интеграции отнесены к "системам на кристалле", обозначаемым далее как SOPC (Systems On Programmable Chip). Заметим, что для программируемых систем на кристалле разные фирмы, как правило, используют свои обозначения (PSOC, CSOC, FIPSOC и т. д.), регистрируемые как товарные знаки. В разд. 1./Жданной главы, посвященном справочным данным об ИС с программируемыми структурами, индивидуальные обозначения фирм сохранены. Для обобщающего термина принято обозначение SOPC, введенное в обиход фирмой Altera.

Программируемые соединения с триггерной памятью сложнее, чем предыдущие варианты, т. к. для каждого соединения требуются ключевой транзистор, триггер и цепи выборки и сброса/установки для управления триггером. Тем не менее эти ПЛИС в силу ряда достоинств занимают среди БИС/СБИС с программируемыми структурами очень важное место.

Аналоговые и аналого-цифровые фрагменты уже давно встраиваются в структуры микропроцессорных систем в виде отдельных микросхем малого и среднего уровней интеграции, использующих дискретные (навесные) операционные элементы. Технология БМК также нашла применение в области аналого-цифровой техники, но программирование самим пользователем аналоговых и аналого-цифровых схем, размещенных на кристаллах высокого уровня интеграции, до последнего времени практически не было освоено. Трудности освоения аналоговых интегральных схем в значительной мере объяснялись их пониженными точностными возможностями в сравнении со схемами на дискретных компонентах. Блоки АЦП и ЦАП с относительно давних пор встраивались в БИС (фирмы Analog Devices, Intel), но с очень нестабильными результатами. Появление "систем на кристалле" сделало особенно актуальной проблему интеграции надежных программируемых аналоговых и аналого-цифровых схем и цифровой части системы. На основе микросхем с программируемыми структурами возможно быстрое проектирование подсистем аналоговой и аналого-цифровой обработки сигналов, их отладка, создание промышленных образцов и быстрый выход на рынок.

Несколько крупных фирм-производителей микросхем с программируемыми структурами (Motorola, Lattice Semiconductor, Cypress) уже отреагировали на требования времени и уделили внимание разработкам программируемых аналоговых и аналого-цифровых структур, выполненных как на отдельном кристалле, так и совместно с цифровой частью системы.

ект изменения, доводя его до полностью работоспособного устройства. Останется ли вариант с репрограммируемыми микросхемами конечной продукцией зависит от объема его производства. Если изделие имеет высокий спрос, то, возможно, целесообразно перевести его на реализацию в виде полузаказных или даже заказных схем, т. к. это позволит устранишь из устройства средства программирования его структуры, что снизит стоимость изготовления каждого экземпляра микросхемы и, при необходимости, позволит повысить ее быстродействие. Затраты на проектирование некоторого числа фотошаблонов, необходимых для производства полузаказных или заказных схем, и другие однократные технологические затраты (NRE, Non Recurrent Expends) не зачеркнут указанный выигрыш, если тиражность изделия достаточно велика. На последней стадии жизненного цикла изделия объем его производства снижается и становится неустойчивым. При этом может оказаться выгодным возврат от варианта с полузаказными и заказными микросхемами к БИС/СБИС с программируемыми структурами (FPGA, CPLD, FLEX, SOPC), т. к. для них не существует проблемы заказа в виде только больших партий, и можно избавиться от риска экономических потерь при уценках и распродажах. Кроме того, несложно выпустить и дополнительную партию изделий любого объема, если конъюнктура этого потребует.

В силу своих достоинств ИС с программируемыми структурами занимают быстро растущую долю рынка.

легкость и быстроту изменения проектов, малое время выхода продукции на рынок. Для БИС/СБИС с программируемыми структурами модификация реализуемых алгоритмов производится без изготовления наборов фотошаблонов.

В заключение главы приведем краткую сводку сведений о продукции основных производителей ИС с программируемыми структурами. В материалах этого раздела использованы справочные данные фирм-производителей, а также обзора [44].

Фирма Lattice Semiconductor выпускает также микросхему специальной архитектуры ispG, в которой мало логических элементов и почти все ресурсы кристалла отданы под программируемые средства коммутации. Напомним, что фирма Lattice Semiconductor принадлежит также к пока малому числу производителей аналоговых схем с программируемыми структурами (ПАИС).

В широком смысле архитектурой цифровой вычислительной машины называют совокупность ее свойств и характеристик, рассматриваемую с точки зрения пользователя машины. Пользователя ВС в первую очередь интересует ее производительность на классе задач, для решения которых она приобретается, система программирования, операционная система, состав внешних (периферийных) устройств и способ обращения к ним. Но ведь и конструктор создает машину для пользователя или как минимум для решения определенного класса задач. Следовательно, и его занимают архитектурные решения ВС, причем не только с позиции того, как они будут выглядеть для пользователя, но и с позиции того, как их обеспечить для пользователя. В последние три года появились отечественные и переводные работы, посвященные архитектуре определенных классов ВС. Например: А. В. Каляев «Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой», А. Липьят «Архитектура малых вычислительных систем», П. М. Коуги «Архитектура конвейерных ЭВМ» и ряд других. Большинство вышедших книг рассчитаны прежде всего не на пользователя, а на создателя ВС. Каждая из них охватывает более глубоко и профессионально узкий круг проблем.

15. К а л я е в А. В. Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой.— М.: Радио и связь, 1984.

Разработаны и применяются однократно программируемые ПЛМ и многократно программируемые — репрограм-мируемые ПЛМ (РПЛМ). Развиваются методы проектирования и производства матричных БИС с реконструируемыми соединениями (МаБИСРС) и с программируемой архитектурой (МаБИСПА) — субсистемы на пластинах. Классификация ПЛМ приведена в табл. 3.1.

с программируемой архитектурой

Наряду с БИС с реконструируемыми соединениями развивается направление, связанное с созданием БИС и СБИС с программируемой архитектурой и выполняемых в виде субсистем на пластинах. Перестройка архитектуры субсистемы осуществляется с помощью встроенных элементов коммутации с памятью. Причем элементы памяти могут выполняться как на типовых МОП- или КМОП-транзисторах,

На 4.7 представлена структурная схема матричной БИС с программируемой архитектурой. Шина управления (ШУ) служит для записи в блоки распределенной памяти (П) кодов настройки (программирования) архитектуры субсистемы на определенную задачу. Решающие блоки матрицы (М) соединяются между собой распределенными коммутаторами (К) через коммутационную шину (ШК).

Большое внимание в матричных БИС с программируемой архитектурой и с реконструируемыми соединениями следует уделять равномерному распределению тока питания по пластине. На 4.8 показаны варианты размещения шин питания на пластине.

4.7. Структурная схема матричной БИС с программируемой архитектурой

Выход годных субсистем с программируемой архитектурой можно оценить, используя формулы (3.3) — (3.6).

Субсистемы на пластинах потребляют значительную мощность (около 10 Вт). На 4.9 представлен один из вариантов конструкции корпуса с воздушным охлаждением для матричных БИС с программируемой архитектурой и реконструируемыми соединениями.

12. Каляев А. В. Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой. — М.: Радио и связь, 1984. — 240 с.