Конструирование ПЛИС
Специализированные полузаказные ИС на базовых матричных кристаллах
(БМК), называемых за рубежом вентильными матрицами (Gate Arrays), бе-
зусловно, обладают рядом преимуществ. Основным из них является возмож-
ность создания на их основе самых различных микросхем при наличии раз-
витых средств проектирования. Именно это, наряду с низкой стоимостью
самих кристаллов, и обусловило широкое распространение БМК в 60-70 го-
ды.
Однако весьма очевидны и недостатки матричных кристаллов. Прежде
всего речь идет о значительных сроках и затратах на проектирование
специализированных ИС на основе БМК. Эта негативная их особенность
послужила предпосылкой для появления нового класса специализированных
полузаказных микросхем (СПИС) - программируемых логических ИС (ПЛИС).
В зарубежной литературе синонимом ПЛИС является аббревиатура
PLD-programmable logic devices.
ПЛИС- это интегральные микросхемы, содержащие программируемую матри-
цу элементов логического И (конъюнкторов), программируемую или фикси-
руемую матрицу элементов логического ИЛИ (дизъюнкторов) и так называе-
мые макроячейки (в зарубежной литературе-macrocells). Макроячейки, как
правило, включают в себя триггер, тристабильный буфер и вентиль исклю-
чающее ИЛИ, управляющий уровнем активности сигнала. Размерность мат-
риц и конфигурация макроячеек определяют степень интеграции и логичес-
кую мощность ПЛИС.
Структурная схема обобщенной модели ПЛИС приведена на рис.1, а тиро-
вые конфигурации макроячеек - на рис.2,3 и 4.
В сочетании с разнообразными обратными связями перечисленные элемен-
ты формируют завершенную автоматную структуру, ориентированную на реа-
лизацию как комбинационных (дешифраторов,мультиплексоров, сумматоров),
так и последовательностных схем (управляющих автоматов, контроллеров,
счетчиков).
В ПЛИС заложены возможновти, которые позволяют превратить ее в ИС с
любой функцией цифровой логики. Проектирование сводится к выявлению
программируемых элементов (перемычек или запоминающих ячеек), после
удаления которых в структуре схемы остаются только те связи, которые
необходимы для выполнения требуемых функций. На практике эта задача
весьма непростая, так как современные ПЛИС содержат в среднем нес-
колько десятков тысяч перемычек. Поэтому для проектирования обяза-
тельно применяют системы автоматизированного проектирования (САПР
ПЛИС).
Благодаря наличию различных систем автоматизированного проектирова-
ния, а также структурным и технологическим особенностям, ПЛИС пред-
ставляют технологию рекордно-короткого цикла разработки радиоэлектрон-
ной аппаратуры. Причем весь цикл проектирования и изготовления готово-
го устройства осуществляется самим разработчиком, что значителбно сни-
жает стоимость РЭА по сравнению с использованием БМК.
Если за рубежом ПЛИС уже заняли заметное место в арсенале разработ-
чика РЭА, то в России и странах СНГ эта технология только начинает
по-настоящему развиваться. Отставание объясняется рядом причин.
Во-первых, очень узка номенклатура ПЛИС на нашем рынке элементной ба-
зы. Во-вторых, практическая недоступность для наших специалистов сов-
ременных зарубежных систем проектирования. В-третьих, недостаток ин-
формации в технической литературе о ПЛИС и методах работы с ними.
Нужно, однако, отметить, что в начале 90-х годов у нас стали наблю-
даться некоторые реальные сдвиги в приминении ПЛИС на отдельных пред-
приятиях. Этому в первую очередь способствовало появление отечествен-
ных ПЛИС для решения многих задач. Назовем, например, ПЛИС с плавкими
перемычками по технологии ТТЛШ, производимые в НИИМЭ в Зеленограде. В
их числе уже давно известные ПЛМ К556РТ1,К556РТ2,К556РТ21 и сравни-
тельно недавно выпускаемые ИС КМ1556ХП4,КМ1556ХП6,КМ1556ХП8,КМ1556ХЛ8,
являющиеся аналогами широко распространенных в мире ПЛИС семейства PAL.
Сыграл определенную роль и выход на отечественный рынок фирмы INTEL,
представившей в числе своей продукции ПЛИС по технологии КМОП с
УФ-стиранием. Наибольшую известность получили ПЛИС 85С060,85С090 и
85C22V10, считавшаяся в 80-х годах мировым промышленным стандартом на
ПЛИС.
Основные характеристики зарубежных и отечественных ПЛИС приведены в
таблице.
В каких же случаях целесообразно применять ПЛИС ?
Во-первых, при разработке оригинальной аппаратуры , а также для за-
мены обычных ИС малой и средней степени интеграции. При этом значи-
тельно уменьшаются размеры устройства, снижается потребляемая мощ-
ность и повышается надежность.
Наиболее эффективно использование ПЛИС в изделиях, требующих нестан-
дартных схемотехнических решений. В этих случаях ПЛИС даже средней
степени интеграции (24 вывода) заменяет, как правило, до 10-15 обыч-
ных интегральных микросхем.
Другим критерием использования ПЛИС является потребность резко сок-
ратить сроки и затраты на проектирование, а также повысить возмож-
ность модификации и отладки аппаратуры. Поэтому ПЛИС широко применяет-
ся в стендовом оборудовании, на этапах разработки и производства опыт-
ной партии новых изделий, а также для эмуляции схем, подлежащих после-
дующей реализации на другой элементной базе, в частности БМК.
Отдельная область применения ПЛИС - проектирование на их основе ус-
тройств для защиты программного обеспечения и аппаратуры от несанкцио-
нированного доступа и копирования. ПЛИС обладают такой технологичес-
кой особенностью, как "бит секретности", после программирования кото-
рого схема становится недоступной для чтения (хотя свои функции ПЛИС,
естественно, продолжает выполнять). Обычно применение одной-двух ПЛИС
средней степени интеграции оказывается вполне достаточной для надеж-
ной защиты информации.
Наиболее широко прграммируемые логические ИС используются в микроп-
роцессорной и вычислительной технике. На их основе разрабатываются
контроллеры, адресные дешифраторы, логика обрамления микропроцессоров,
формирователи управляющих сигналов и др. На ПЛИС часто изготавливают
микропрограммные автоматы и другие специализированные устройства, нап-
ример, цифровые фильтры, схемы обработки сигналов и изображения, про-
цессоры быстрого преобразования функций Фурье и т.д. В технике связи
ПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных сигналов.
Применение ПЛИС становится актуальным еще и потому, что у разработ-
чиков зачастую нет необходимых стандартных микросхем.