Программируемая логика. Попробовать прямо сейчас. Файл-модуль с кодом для тестирования модулей - bench.v
Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС , англ. programmable logic device , PLD) - электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры Verilog, VHDL, AHDL и др. Альтернативой ПЛИС являются: базовые матричные кристаллы, требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC - специализированные заказные БИС (большие интегральные схемы), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже; специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, которые из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС. Некоторые производители ПЛИС предлагают программные процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой ПЛИС.
Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) появились полтора десятилетия назад как альтернатива программируемым логическим матрицам (ПЛМ). От последних ПЛИС отличаются как по архитектуре, так и по технологии изготовления.
ПЛМ представляет собой матрицу многовходовых (несколько десятков входов) логических элементов с триггерами, в которых перемычками программируются конституанты единиц дизъюнктивных нормальных форм функций этих элементов. Вначале перемычки выполнялись в виде пережигаемых тонких проводников. Теперь перемычки выполняются в виде МОП-транзистора с плавающим затвором, как в электрически перепрограммируемом ПЗУ, т.е. ПЛМ изготовляются по технологии флэш-памяти. Большие ПЛМ (CPLD) отличаются только тем, что несколько ПЛМ собраны на одном кристалле и объединены программируемым полем связей.
ПЛИС представляет собой матрицу маловходовых (от двух до пяти входов) логических элементов, триггеров, отрезков линий связи, соединяемых перемычками из полевых транзисторов. Судя по английскому названию - Field Programmable Gate Array (FPGA) - ПЛИС программируются изменением уровня электрического поля (field) в затворах этих транзисторов. В отличие, например, от LPGA - Laser Programmable Gate Array. Затворы всех "программирующих" полевых транзисторов подключены к выходам триггеров одного длинного сдвигового регистра, который заполняется при программировании ПЛИС. Некоторые из участков этого регистра могут также выполнять роль ячеек ПЗУ.
Прошивка обычно хранится в ПЗУ, стоящем рядом с ПЛИС и после включения питания или по сигналу сброса она автоматически переписывается в программирующий сдвиговый регистр ПЛИС. Этот процесс называется конфигурированием ПЛИС. Так как основу ПЛИС составляют триггеры, хранящие прошивку, то ПЛИС изготавливаются по технологии микросхем статического ОЗУ.
По сравнению с CPLD, ПЛИС выигрывают, во-первых, в неограниченном количестве перепрограммирований, во-вторых, в логической емкости, в том числе в удельной емкости вентилей на цент, в-третьих, в малом энергопотреблении.
Как правило, ПЛИС имеют на два - три порядка большую емкость в числе эквивалентных логических вентилей, чем CPLD и также как статическое ОЗУ, почти не потребляют энергии при отсутствии переключений. Кроме того, у ПЛИС на порядок выше надежность (ниже интенсивность отказов), чем у CPLD.
К недостаткам относят необходимость внешнего ПЗУ прошивки, генератора синхросерии. Но 8-выводовое ПЗУ занимает на плате значительно меньше места, чем сама ПЛИС с многими сотнями выводов. То же касается генератора синхросерии. программирование интегральный электронный
Много сомнений у пользователей возникает с защитой проекта от копирования. Действительно, прошивка ПЛИС хранится во внешнем ПЗУ, содержимое которого просто копируется. Но изменить или расшифровать прошивку, например, для скрытия авторства или восстановления схемы, практически невозможно, так как семантика битов в файле прошивки - секрет фирмы, а неосторожное изменение ее может вывести ПЛИС из строя. Если требуется защита, то загрузку программы выполняют с помощью внешней CPLD, автомат в которой обеспечивает защиту проекта. В ПЛИС новых поколений предусматривается шифрование прошивки, например, с помощью встроенного шифрователя DES с обеспечением сохранения ключа с помощью батарейки.
Программируемые логические интегральные схемы - ПЛИС являются одними из самых перспективных элементов цифровой схемотехники. ПЛИС представляет собой кристалл, на котором расположено большое количество простых логических элементов. Изначально эти элементы не соединены между собой. Соединение элементов (превращение разрозненных элементов в электрическую схему) осуществляется с помощью электронных ключей, расположенных в этом же кристалле. Электронные ключи управляются специальной памятью, в ячейки которой заносится код конфигурации цифровой схемы. Таким образом, записав в память ПЛИС определенные коды, можно собрать цифровое устройство любой степени сложности (это зависит от количества элементов на кристалле и параметров ПЛИС). В отличие от микропроцессоров, в ПЛИС можно организовать алгоритмы цифровой обработки на аппаратном (схемном) уровне. При этом быстродействие цифровой обработки резко возрастает. Достоинствами технологии проектирования устройств на основе ПЛИС являются:
- · минимальное время разработки схемы (нужно лишь занести в память ПЛИС конфигурационный код);
- · в отличие от обычных элементов цифровой схемотехники здесь отпадает необходимость в разработке и изготовлении сложных печатных плат;
- · быстрое преобразование одной конфигурации цифровой схемы в другую (замена кода конфигурации схемы в памяти);
- · для создания устройств на основе ПЛИС не требуется сложное технологическое производство. ПЛИС конфигурируется с помощью персонального компьютера на столе разработчика. Потому иногда эту технологию называют "фабрикой на столе".
Типичные области применения ПЛИС: цифровая обработка сигналов, пользовательская электроника, системы сбора данных, системы управления, телекоммуникационное оборудование, оборудование для систем беспроводной связи, компьютерное оборудование общего назначения.
Стремясь к достижению высоких технических характеристик и потребительских качеств своей продукции, разработчики электронных устройств используют специализированные ИС (СПИС). Их применение обеспечивает следующие преимущества:
- - уменьшение габаритов устройства. Применение СПИС позволяет снизить количество ИС, уменьшить размеры печатных плат и тем самым сократить габариты всего устройства;
- - повышение технических характеристик. Уменьшение количества ИС приводит к повышению системного быстродействия и сокращению потребляемой мощности;
- - повышение надежности. Так как вероятность ошибки или поломки устройства прямо пропорциональна количеству ИС, надежность устройств, использующих СПИС, значительно возрастает;
- - обеспечение защиты разработки. Так как скопировать устройство, содержащее СПИС, значительно сложнее (а иногда практически невозможно), чем устройство на стандартных компонентах, применение СПИС позволяет обеспечить авторские права разработчика;
- - повышение гибкости модификации. Так как модификация СПИС не требует, как правило, переработки остальных узлов, переразводки печатных плат и т.д., возможности отладки и модификации устройства значительно повышаются.
В большинстве случаев в литературе выделяют следующие классы СПИС (ASIC)
- - программируемые пользователем ИС - ПЛИС (PLD).
- - масочно-программируемые ИС - базовые матричные кристаллы (БМК) или вентильные матрицы (Gate Arrays).
- - ИС на стандартных ячейках (Standard Cells).
- - полностью заказные ИС (Full Custom).
ПЛИС и БМК относятся к категории полузаказных ИС, поскольку внутрисхемная топология частично формируется при производстве самих ИС, а частично программируется в соответствии с требованиями потребителя.
Остальные СПИС являются заказными, т.к. вся топология схемы с учетом требуемых функций разрабатывается при производстве кристаллов.
Классификация СПИС приведена на рисунке, из которого видно, какое направление и раздел СПИС занимает ПЛИС:
Классификация СПИС
Altera-Cyclone and Arduino
Суть вопроса. Разница между ПЛИС и микроконтроллером
Каждый начинающий микропрогер на определенном этапе своего развития задается вопросом в чем же разница между ПЛИС (фирм Altera или Xilinx) и микроконтроллером (микропроцессором)?
Читаешь форумы — знатоки дела пишут, что это совершенно разные вещи, которые нельзя сравнить, аргументируя это тем, что у них разная архитектура . Читаешь мануал по Verilog или C++ — и тот и другой используют похожие операторы со схожим функционалом, даже синтаксис похож, а почему разные? Заходишь на марсоход — там светодиодами (или даже просто лампочками) с помощью FPGA моргают, смотришь проекты на Arduino — там роботами управляют. СтОп!
А вот теперь остановимся и спросим себя: почему с ПЛИС — тупо лампочка, а Ардуино — умно робот? Ведь и первый и второй вроде как программируемое устройство, неужели у ПЛИС возможностей для робота не хватает?
В какой-то степени суть вопроса «В чем разница между ПЛИС и микроконтроллером ?» раскрывается именно на таком примере.
Отметим сразу. Функционал ПЛИС изначально не уступает микроконтроллеру (и микропроцессору, кстати, тоже), точнее — основные функции у одного и второго по сути идентичны — выдавать логические 0 или 1 при определенных условиях, а если говорить о быстродействии, количестве выводов(ножек) и возможностях конвейерной обработки, то микроконтроллеру до ПЛИС а вообще далеко. Но есть одно «но». Время на разработку одного и того же программного алгоритма на двух разных устройствах (ПЛИС и микроконтроллер ) различается в разы, а то и в десятки раз. Именно ПЛИС здесь в 99% случаев сильно уступает МК. И дело вовсе не в замороченности языков Verilog , VHDL или AHDL , а в устройстве самой ПЛИС .
О взаимодействии программного языка с архитектурой ПЛИС и микроконтроллера
FPGA : в ПЛИС и нет сложных автоматизированных цепочек(делающих часть работы за вас). Есть только железные проводные трассы и магистрали, входы, выходы, логические блоки и блоки памяти. Среди трасс есть особый класс — трасса для тактирования(привязанная к определенным ножкам, через которые рекомендуется проводить тактовую частоту).
Основной состав:
Трасса — металл, напаянный на слои микросхемы, является проводником электричества между блоками.
Блоки — отдельные места в плате, состоящие из ячеек. Блоки служат для запоминания информации, умножения, сложения и логических операций над сигналами вообще.
Ячейки — группы от нескольких единиц до нескольких десятков транзисторов.
Транзистор — основной элемент ТТЛ логики.
Выводы (ножки микросхемы) — через них происходит обмен ПЛИС с окружающим миром. Есть ножки специального назначения, предназначенные для прошивки, приема тактовой частоты, питания, а так же ножки, назначение которых устанавливаются пользователем в программе. И их, как правило, гораздо больше, чем у микроконтроллера .
Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается большая часть работы ПЛИС .
Архитектура ПЛИС. Взаимосвязь составляющих элементов
Трассы подключаются к блокам с помощью специальных КМОП-транзисторов. Эти транзисторы способны сохранять свое состояние(открытое или закрытое) на протяжении длительного периода времени. Изменяется состояние транзистора при подаче сигнала по определенной трассе, которая используется только при программировании ПЛИС . Т.е., в момент прошивки осуществляется именно подача напряжения на некоторый набор КМОП-транзисторов. Этот набор определяется прошивочной программой. Таким образом происходит сложное построение огромной сети трасс и магистралей внутри ПЛИС , связывающей сложным образом между собой огромное количество логических блоков. В программе вы описываете какой именно алгоритм нужно выполнять, а прошивка соединяет между собой элементы, выполняющие функции, которые вы описываете в программе. Сигналы бегают по трассе от блока к блоку. А сложный маршрут задается программой.
Архитектура ПЛИС (FPGA)
Архитектура Микроконтроллера
В этом элементе ТТЛ логики все операции по обработкам отдельных сигнальчиков проводятся независимо от вас. Вы лишь указываете что делать с тем или иным набором принятых сигналов и куда выдавать те сигналы, которые нужно передать. Архитектура микроконтроллера состоит совсем из других блоков, нежели ПЛИС . И связи между блоками осуществляются по постоянным магистралям(а не перепрошиваемым). Среди блоков МК можно выделить основные:
Постоянная память (ПЗУ) — память, в которой хранится ваша программа. В нее входят алгоритмы действий и константы. А так же библиотеки(наборы) команд и алгоритмов.
Оперативная память (ОЗУ) — память, используемая микроконтроллером для временного хранения данных(как триггеры в ПЛИС ). Например, при вычислении в несколько действий. Допустим, нужно умножить первое пришедшее число на второе(1-е действие), затем третье на четвертое(2 действие) и сложить результат(3 действие). В оперативную память при этом занесется результат 1 действия на время выполнения второго, затем внесется результат 2 действия. А затем оба этих результата пойдут из оперативной памяти на вычисление 3 действия.
Процессор — это калькулятор микроконтроллера . Он общается с оперативной памятью, а так же с постоянной. С оперативной происходит обмен вычислениями. Из постоянной процессор получает команды, которые заставляют процессор выполнять определенные алгоритмы и действия с сигналами на входах.
Средства (порты) ввода-вывода и последовательные порты ввода-вывода — ножки микроконтроллера , предназначенные для взаимодействия с внешним миром.
Таймеры — блоки, предназначенные для подсчета количества циклов при выполнении алгоритмов.
Контроллер шины — блок, контролирующий обмен между всем блоками в микроконтроллере . Он обрабатывает запросы, посылает управляющие команды, организовывает и упорядочивает общение внутри кристалла.
Контроллер прерываний — блок, принимающий запросы на прерывание от внешних устройств. Запрос на прерывание — сигнал от внешнего устройства, информирующий о том, что ему необходимо совершить обмен какой-либо информацией с микроконтроллером .
Внутренние магистрали — трассы, проложенные внутри микроконтроллера для информационного обмена между блоками.
Тактовый генератор — внешняя микросхема, вырабатывающая тактовые импульсы, на которых основывается вся работа микроконтроллера .
Взаимосвязь составляющих блоков микроконтроллера
В микроконтроллере , в отличии от ПЛИС , работа происходит между вышеперечисленными блоками, имеющими сложную архитектуру , облегчающую процесс разработки программ. При прошивке вы изменяете только постоянную память, на которую опирается вся работа МК.
Основное отличие ПЛИС и микроконтроллера
ПЛИС прошивается на уровне железа, практически по всей площади кристалла. Сигналы проходят через сложные цепочки транзисторов. Микропроцессор же прошивается на уровне программы для железа, сигналы проходят группами, от блока к блоку — от памяти к процессору, к оперативной памяти, от оперативной к процессору, от процессору к портам ввода-вывода, от портов ввода-вывода к оперативной памяти, от оперативной памяти… и так далее. Вывод: за счет архитектуры ПЛИС выигрывает в быстродействии и более широких возможностях конвеерной обработки, МК выигрывает в простоте написания алгоритмов. За счет более простого способа описания программ, фантазия разработчика Микроконтроллера менее скованна временем на отладку и разработку, и, таким образом, время на программирование того же робота на МК и ПЛИС будет отличаться во многие и многие разы. Однако робот, работающий на ПЛИС будет гораздо шустрее, точнее и проворнее.
Железо и программа.
В ПЛИС всю работу нужно делать самому, вручную: для того, чтобы реализовать какую-либо программу на ПЛИС , нужно отследить каждый сигнальчик по каждому проводку, приходящему в ПЛИС , расположить какие-то сигнальчики в ячейки памяти, позаботиться о том, чтобы в нужный момент именно к этим ячейкам памяти обратился другой сигнальчик, который вы так же отслеживаете или даже генерируете, и в итоге набор сигнальчиков, задержанный в памяти задействовал нужный вам сигнальчик, который, например, пойдет на определенную выходную ножку и включит светодиодик, который к ней подключен. Часть сигнальчиков идет не в память, а например на запуск определенной части алгоритма(программы). То есть, говоря языком микропрогера, эти ножки являются адресными. Например, имеем на нашей плате в нашей программе три адресные ножки для включения неких не связанных(или связанных) друг с другом алгоритмов, которые мы реализовали на языке Verilog в ПЛИС . Также в программе, кроме трех адресных ножек, у нас есть еще например 20 информационных ножек, по которым приходит набор входных сигнальчиков(например с разных датчиков) с какой-либо информацией (например температура воды в аквариуме с датчика температуры воды в аквариуме). 20 ножек = 20 бит. 3 ножки -3 бита. Когда приходит адресный сигнал 001(с трех ножек адреса) — запускаем первый алгоритм, который записывает 20 информационных сигнальчиков в 20 ячеек памяти(20 триггеров), затем следующие 20 сигнальчиков умножаем на полученные ранее 20, а результат умножения записываем в память, а потом отсылаем по другим ножкам например в терморегулятор воды в аквариуме. Но Отошлем мы этот результат только тогда, когда на наши адресные ножки придет код например 011 и запустит алгоритм считывания и передачи. Ну, естественно «отсылаем», «считываем» и еще что-то прописываем в ручную. Ведем каждый сигнальчик в каждый такт работы ПЛИС по определенному пути, не теряем. Обрабатываем или записываем. Складываем или умножаем. Не забываем записать. Не забываем принять следующий сигнал и записать в другие триггеры. Еще добавьте сюда работу, привязанную к тактовой частоте, синхронизацию (которая так же реализуется вручную), неизбежные ошибки на этапах разработки и отладки и кучу других проблем, которые в данной статье рассматривать просто бессмысленно. Трудно. Долго. Но зато на выходе работает супер оперативно, без глюков и тормозов. Железно!
Теперь микроконтроллер . 20 ножек на прием информации — для большинства микроконтроллеров физически невозможная задача. А вот 8 или 16 — да пожалуйста! 3 информационных — в легкую! Программа? По адресу 001 умножить первое пришедшее число на второе, по адресу 011 отсылай результат в терморегулятор. Все! Быстро. Легко. Не супер, но оперативно. Если очень грамотно написать программу- без глюков и тормозов. Программно!
Железо и Программа! Вот главное отличие между ПЛИС и Микроконтроллером .
В микроконтроллере большинство замороченных, но часто используемых алгоритмов уже вшиты железо(в кристалл). Нужно лишь вызвать программным способом нужную библиотеку, в которой этот алгоритм хранится, назвать его по имени и он будет делать всю грязную работу за вас. С одной стороны это удобно, требует меньшего количества знаний о внутреннем устройстве микросхемы. Микрик берет на себя заботу об отслеживании принятых, генерируемых и результирующих сигналов, об их складировании, обработке, задержке. Все делает сам. В большинстве микропрогерских задач это то, что нужно. Но если безграмотно использовать все эти удобства, то возникает вероятность некорректной работы. Железо и Программа!
Заключение
Современные разработчики процессоров и микропроцессоров изначально разрабатывают свои устройства на ПЛИС . Да-да, вы правильно догадываетесь: сначала они имитируют создаваемую архитектуру микроконтроллера с помощью разработки и прошивки программы на ПЛИС , а затем измеряют скорость выполнения алгоритмов при том или ином расположении имитируемых блоков МК и том или ином наборе функционала каждого блока отдельно.
По характеристикам выдаваемого сигнала, ПЛИС чаще всего рассчитана на 3,3В, 20мА, Микроконтроллер на 5В, 20мА.
Под микроконтроллер AVR, успешно внедренный в платформу Arduino, написано множество открытых программ, разработано великое множество примочек в виде датчиков, двигателей, мониторчиков, да всего, чего только душе угодно! Arduino в настоящее время больше похож на игровой конструктор для детей и взрослых. Однако не стоит забывать, что ядро этого конструктора управляет «умными домами», современной бытовой электроникой, техникой, автомобилями, самолетами, оружием и даже космическими аппаратами. Несомненно, такой конструктор будет являться одним из лучших подарков для любого представителя сильной половины человечества.
В принципе, все просто!
Остались вопросы? Напишите комментарий. Мы ответим и поможем разобраться =)
Написать эту статью заставили меня товарищи, которые очень хорошо (гораздо лучше меня) разбираются в контроллерах и применяют их везде, где ни попадя. Тем не менее, есть огромная куча приложений, когда применение ПЛИС не только оправдано, но и приводит к значительному упрощению системы и улучшению ее параметров. Сразу оговорюсь: в этой и, возможно, последующих статьях я рассматриваю ПЛИС только фирмы Xilinx не потому, что они мне заплатили, и даже не потому, что они лучше всех, просто исторически сложилось, что работаю я практически только с ними.
Итак, начнем с небольшого количества теории. ПЛИС делятся на две основных группы: CPLD (Complex Programmed Logic Device) и FPGA (Field Programmed Gate Array). CPLD - это обычно ПЛИС класса "эконом", т.е. имеют невысокую цену и довольно скудное количество ресурсов, особенно это заметно на триггерах. FPGA обычно подороже, содержат побольше ресурсов (простой логики - триггеров...) и, самое важное, в последнее время дополнительные "непростые" блоки, как, например, умножители, блоковую память, интерфейсные причиндалы (Ethernet, PCI-express...) и даже процессорные ядра PowerPC. Отдельно можно упомянуть серию Zinq от Xilinx - туда вообще ядра ARM запихали. Главным же отличием FPGA от CPLD является потребность в загрузке конфигурации при включении питания и, соответственно, внешней ПЗУ с конфигурацией. Даже семейство SPARTAN-3AN имеет на борту встроенную ПЗУ-шку, из которой и грузится.
Теперь самое главное: чем ПЛИС отличается от контроллера и когда их применять. Тут всё довольно просто: ПЛИС (берем те, что без наворотов) - это, по сути, мешок логики на одном кристалле, которую можно произвольно соединять: те самые триггеры, AND, OR и тому подобные примитивы, как, например, в серии К155 или 74НС. Контроллер же - это готовый процессор (пусть со скудным количеством команд), встроенная память, шины данных и команд, периферия и т.д. В общем-то говоря, из большой ПЛИС можно сделать маленький контроллер, но эта затея, по крайней мере, глупая. Итак, контроллер заточен под выполнение длинных цепочек команд, их циклического повторения, переключения с одной цепочки на другую и т.д., а ПЛИС заточена под выполнение простых логических операций и, что немаловажно, большого количества сразу (и даже на разных тактовых частотах).
Рис. 1
После того, как мы припаяли ПЛИС на макетную плату, спаяли или купили программатор, скачали и установили пакет ISE Webpack (у меня версия 13.2), запускаем Project Navigator и создаем новый проект. Чтобы создать проект, выбираем File -> New Project, указываем имя проекта и куда его сохранить, также указываем тип исходника TOP-LEVEL (рис.2). Дело в том, что для ПЛИС не обязательно рисовать схему из триггеров и их соединений, можно, например, писать на языках высокого уровня (VHDL, Verilog) и совсем не обязательно в пределах одного проекта использовать что-то одно. Мы же пока используем только Schematic на всех уровнях.
Рис. 2
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
В следующем окошке (рис. 3) выбираем нашу микросхему (остальное поначалу не трогаем); в окне, появившемся после нажатия на кнопку "Next", любуемся на параметры созданного проекта, жмем "Финиш" - и готово: проект создан.
Рис. 3
Теперь надо, собственно, нарисовать схему: правым кликом на окошко с проектом и new sourсe (рис 4.), нарекаем этот исходник именем (это имя нашей схемы, их в проекте может быть много), выбираем опять-таки Schematic, жмем "Next", любуемся на параметры вновь создаваемого файла, жмем "Финиш" и получаем чистую схему.
Рис. 4
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Начинается самое интересное: на панельке слева (не с самого краю) жмем кнопочку "add symbol" (рис. 5).
Рис. 5
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
И получаем еще левее список символов текущей библиотеки. Как добавлять, создавать, править библиотеки, разберемся потом (по мере необходимости). Сейчас нам важно выбрать необходимый символ. Так в верхнем окошке мы видим некий классификатор - фильтр, которым пользоваться не обязательно (ну зачем же пролистывать всякие триггеры и логические элементы, когда нам нужен счетчик).
Для примера рассмотрим следующую задачу: нужно максимально точно определить время задержки между передними фронтами 2-х импульсов, появляющихся на разных проводах, и слить это значение в контроллер по интерфейсу SPI. Всякое сходство задачи с темой "Повышение рабочей частоты МК" на одном из робототехнических форумов умышленное. Итак, на входе устройства 2 провода для импульсов и 3 провода для SPI контроллера. Добавляем еще вход тактирования (пока мы не знаем на какой частоте, можем только предположить, что не менее 70 МГц). Начинаем рисовать прошивку: нам нужны триггеры-защелки, которые будут "ловить" импульсы, счетчик времени, регистр сдвига (создавать их не надо, они есть библиотечные). Что такое триггеры и счетчики, описывать не буду, надеюсь, читатели "в теме" и проблем не возникнет, в противном случае придется писать еще несколько статей. Получили вот такую схему (рис. 6), как вы видите, необязательно тянуть провод от выхода символа до входа, достаточно просто обозвать цепь. Для обозначения внешних входов и выходов используем кнопку "Add I/O Marker".
Рис. 6
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Когда схема готова, переходим на вкладку Design, и даблкликаем на Implement Design - начинаются всякие процессы (для начала не важно какие именно - главное, что всё вместе - это процесс перегонки исходника в прошивку). Когда всё отработает, смотрим на эрроры с варнингами: всё, что важно, исправляем, остальное оставляем. Например, не нужны нам выходы СЕО и ТС счетчика и остальные 15 бит параллельного выхода регистра сдвига тоже не нужны, а варнингами ругается. Если ругается эррорами на то, что мы так и хотим, значит, мы хотим чего-то не того. Если нас (и синтезатор) всё устраивает - любуемся дальше на репорты: сколько каких ресурсов израсходовано, какие тактовые частоты доступны... Если опять всё хорошо, то самое время просимулировать схему и убедиться, что она, собственно, работает согласно поставленной задаче. Симуляцию после проверки таймингов я предлагаю проводить по причине того, что иногда для получения нужной тактовой частоты приходится всю схему перетрясти, что, естественно, может сказаться на результате...
Итак, симуляция: на вкладке Design (в левой панельке) выбираем simulation (рис. 7).
Рис. 7
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Внизу, в процессах, вместо процессов синтеза и разводки появился процесс Simulate Behavioral Model, даблкликаем на него - запускается симулятор, в котором мы видим наши сигналы (не только входные-выходные, но и промежуточные) (рис 8).
Рис. 8
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Наводим на кнопочки курсор мышки, читаем комментарии к кнопочкам. Устанавливаем время шага симуляции (рис. 9) и начальные значения входных сигналов, сразу же настраиваем тактовые сигналы (не будем же мы каждые 5 нс симулировать и клок переключать).
Рис. 9
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Шагая по времени путем манипуляций с входами и (при необходимости) с шагом симуляции, получаем временную диаграмму (рис. 10).
Рис. 10
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Убеждаемся, что всё работает так, как задумано (или отлаживаем схему дальше), и переходим к следующему шагу - распределению выходов и входов по ножкам микросхемы. Для этого добавляем еще один файл-исходник (рис. 11), а именно Implementation Constraints File.
Рис. 11
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Прописываем "распиновку микросхемы" (рис. 12), здесь же прописываем требования к тактовым частотам. И вот мы дошли до нюанса, связанного с тактовыми сигналами. Дело в том, что сигналы тактирования должны приходить на так называемые глобальные линии - линии, которые проходят через всю микросхему, остальные линии имеют локальный характер и от блока к блоку проходят через коммутационную логику. У микросхемы XC95288XL в корпусе TQ144 таких линий 3, и подключаются они к ногам 30, 32, 38. Остальные сигналы можно подключить к любым ножкам ввода-вывода (I/O).
Рис. 12
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Снова даблкликаем Implement Design, ждем, читаем замечания на тему варнингов с эррорами и переходим на отчеты по распиновке (рис. 13) и таймингам (рис. 14); убеждаемся в том, что всё нас устраивает, и имеем счастье в виде файла %project_name%.jed.
Рис. 13
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Рис. 14
(рисунок кликабелен для увеличения, откроется в новом окне)
Файл прошивки готов. Допустим, устройство тоже. Подключаем к ЭВМ JTAG кабель и даблкликаем на Configure Target Device. Запустится утилитка прошивки (Impact.exe), собственно, при изготовлении нескольких устройств для прошивки серии можно ограничиться запуском только ее одной. Создаём новый проект (это проект для программки-прошивалки), разрешаем ей автоматически найти программатор и подключенную микросхему, показываем файл прошивки и жмем Program. Ждем несколько десятков секунд, видим надпись о том, что всё хорошо, - устройство готово.
Начну свою первую статью с того, что сообщу: в предмете статьи я сам новичок, но выбрал именно такую тему. Объясню почему. Читаю хабр уже достаточно долго и мне всегда были интересны топики тех, кто сам в настоящий момент изучает то, о чем повествует. Такие статьи всегда понятны, всегда находят свою аудиторию и всегда предают читающему интерес и энтузиазм автора, который у новичков в любой области обычно зашкаливает!
ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема) – один из видов электронных устройств, применяемый для реализации различных логических устройств самой разной сложности, от двоичных счетчиков, несложных логических схем (замены стандартных интегральных схем - рассыпухе) до специализированных процессоров и нейрочипов.
С назначением разобрались, вопрос – как? Внутри ПЛИС находятся некие базовые элементы, которые соединяются на основе конфигурационной записи. Возможные базовые элементы, вид и место хранения конфигурационной записи зависят от вида ПЛИС и от конкретной модели. В современных ПЛИС выделяют два вида: CPLD и FPGA, уделим им по абзацу.
CPLD (complex programmable logic device - сложные программируемые логические устройства) - ПЛИС, базовыми элементами которой являются макроячейки и простые логические вентили (И(-НЕ)/ИЛИ(-НЕ)). Обычно содержит меньше базовых элементов, чем FPGA, но является более быстродействующей. Также обычно содержит энергонезависимую конфигурационную память прямо на кристалле, но имеет ограниченное число циклов конфигурирования.
FPGA (field-programmable gate array - Программируемая пользователем вентильная матрица) – ПЛИС, которые обычно имеют целый букет видов базовых блоков, это и настраиваемые логические элементы (таблицами истинности) и блоки сложения-умножения (Digital signal processing - DSP) и PLL (Phase-Locked Loop) для деления и умножения частоты и некоторые другие в зависимости от модели. Обычно имеют энергозависимую внутреннюю память и функционал для загрузки конфигурации с внешней энергонезависимой памяти.
Определения этих видов ПЛИС и разницы между ними можно встретить самые различные, как в книгах, так и в интернете. Поэтому не стоит зацикливаться на этой разнице, производители сами классифицируют выпускаемые ими ПЛИС. Если вы не запомнили аббревиатур или не поняли значений некоторых слов – не страшно, главное чтобы появилось общее понятие о ПЛИС, надеюсь я этого добился. А теперь к практике!
Начнем с обсуждения инструментов. Я буду пользоваться стартовым набором разработчика Altera Cyclone II FPGA Starter Board, это готовая плата, на которой установлена FPGA серии Cyclone II – EP2C20F484C7N, а также различная периферия и интерфейсы. В этой статье мы используем светодиоды и семисегментные индикаторы. Мы не будем использовать никаких специальных блоков данной серии FPGA, поэтому при желании вы можете использовать почти любую другую ПЛИС (FPGA и CPLD).
Сильно заинтересовавшиеся могут купить себе один из наборов разработчика или самим собрать устройство, что является достаточно сложной для новичка, но вполне выполнимой задачей. Схемы программаторов и схемы подключения самих ПЛИС легко гуглятся, к тому же, кто ранее занимался любительской прошивкой AVR, может обнаружить у себя подходящий программатор Altera Byte Blaster. В общем, схемную реализацию я предоставляю тебе хабраюзер (В конце статьи схема моей Starter Board). Кто хочет попробовать без денежных затрат и увидеть результат работы – можно использовать встроенный в Quartus II симулятор (в этой статье работа с ним не описана).
Из ПО мы будем использовать Quartus II, free версию которого вы сможете найти на сайте производителя (Altera), как в Windows, так и в Linux вариантах.
И вот мы подошли к практике вплотную! Запускаем наш САПР Quartus II и создаем проект. Первыми шагами визарда указываем имя проекта и его место дислокации, затем пропустим шаг добавления файлов (еще успеем). Закончим создание проекта на этапе выбора устройства, если делаем на железяке – точно знаем имя ПЛИС, его и выбираем. Если просто делаем проект для ПЛИС выберем что-нибудь помощней, например третий циклон. Я же выбираю FPGA которая установлена в моем стартер ките.
Жмем Finish – проект создан. Структура проекта в Quartus – иерархическая, нам необходимо выбрать верхушку иерархии (Top-Level Entity). Мы можем использовать для проектирования схемные файлы и файлы с описанием логики на одном из HDL (Hardware description language – язык описания аппаратуры). Мое мнение – наглядней всего в качестве верхушки иерархии использовать схемный файл с основными блоками логики, а сами блоки реализовывать на HDL. Мнения могут быть разными, пока выбирал, прочитал немало холиварных тем, но остановился пока на такой модели, вы можете сделать свой выбор. В качестве HDL языка проекта я выбрал VHDL ((Very high speed integrated circuits) Hardware Description Language), вы можете использовать любой другой, например Verilog или AHDL, все зависит от ваших предпочтений.
Создаем наш первый файл проекта (File – New..) выбираем Block Diagram/Schematic File. Теперь давайте нарисуем простейшую схему, добавим один Input, один Output и соединим их (в реальной ПЛИС эта схема будет передавать сигнал с одной ножки на другую). Для этого Double Click на пустом месте схемы и в открывшемся диалоге Symbol выбираем необходимый элемент.
Соединяем просто так, линией. Дадим пинам имена (Double Click по элементам), input назову CLOCK_27, а output назову LEDR. Имена выбраны не случайно – CLOCK_27 я затем ассоциирую с входом генератора 27Mhz, а LEDR с нулевым красным светодиодом. Сохраняем файл, оставив галочку добавления в проект. Теперь установим полученный файл вершиной иерархии проекта. Для этого окне Project Navigator, во вкладке Files, в контекстном меню нашего файла выбираем Set as Top-Level Entity. Hello, world готов. Компилируем проект (Processing – Start Compilation), если видим Info: Quartus II Full Compilation was successful. – радуемся и считаем, что первый этап пройден.
Теперь разберемся с нашими целями. Наше устройство будет при включении питания начинать отсчет минут и часов. Значит нам понадобится четыре семисегментных индикатора «ЧЧ: ММ». Для отсчета времени нам нужен более-менее точный сигнал 1Hz. Его мы получим путем деления частоты 27Mhz, затем мы будем отсчитывать его на 60 (секунды), потом еще раз на 60 (минуты), а потом на 24 (часы). С последних двух блоков двоичное число минут и часов будет поступать на декодер Bin -> BCD (binary-coded decimal) -> 7seg. Вот, в общем, и все устройство. Сразу оговорюсь, что схема будет асинхронная (Минуты заводятся от секунд, а часы от минут), для простоты и наглядности.
Итак, создадим наш первый блок - блок деления частоты. Создадим новый файл, как мы уже умеем, только тип файла будет VHDL File. Вставим в него код:
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
Entity Div_27Mhz_to_1Hz is
port(clk:in std_logic; clk_out:out std_logic);
end Div_27Mhz_to_1Hz;
Architecture div_behavior of Div_27Mhz_to_1Hz is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 27000000;
begin
then
If(cnt >= 13500000)
then
clk_out <= "1";
else
clk_out <= "0";
end if;
If(cnt = 27000000)
then
cnt:= 0;
else
cnt:= cnt + 1;
end if;
End if;
end process;
end div_behavior;
Пропущу служебные директивы (можно посмотреть в справочнике, ссылки в конце), уделю внимание только логике работы. Вначале мы объявляем сущность, т.е. сам блок. Указываем его входы и выходы, их типы и имена. Тип std_logic в простонародье значит бит. Далее мы описываем внутреннюю архитектуру этого блока. Архитектура состоит из параллельных процессов. Каждый процесс имеет свой список чувствительности, например единственный процесс в примере выше чувствителен к изменениям на входе clk. Для процесса можно объявить переменные, в нашем примере это переменная типа integer range 0 to 27000000. Далее в теле процесса задается элементарная логика: пока не прошла половина периода - пихаем в выход логический ноль, как половина прошла – пихаем единицу, при этом не забываем считать и обнулять счетчик по достижению 27000000. На идеальный код не претендую – пока учусь, буду рад поправкам:)
Сохраняем файл с кодом и создаем символ (File – Create/Update – Create Symbol Files For Current Files), это необходимо для того чтобы вставить данный блок в нашу главную схему. Найти свои символы можно в папке Project в диалоге вставки символа. Теперь пробежимся по остальным блокам менее подробно.
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
Entity cnt_0_to_59 is
port(clk:in std_logic; c59:out std_logic; vector:out std_logic_vector(5 downto 0));
end cnt_0_to_59;
Architecture cnt_behavior of cnt_0_to_59 is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 59;
begin
if(clk"event and clk = "1")
then
if(cnt = 59)
then
cnt:= 0;
c59 <= "1";
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6);
else
cnt:= cnt + 1;
c59 <= "0";
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6);
end if;
end if;
end process;
end cnt_behavior;
Это блок счета от нуля до 59, который мы используем для счета минут и секунд. Из новинок тут тип выхода std_logic_vector(5 downto 0), который определяет группу битов (битовый вектор), а также функция CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6), которая преобразует переменную в битовый вектор указанной длины.
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
For CONV_STD_LOGIC_VECTOR:
use ieee.std_logic_arith.all;
Entity cnt_0_to_23 is
port(clk:in std_logic; vector:out std_logic_vector(4 downto 0));
end cnt_0_to_23;
Architecture cnt_behavior of cnt_0_to_23 is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 23;
begin
if(clk"event and clk = "1")
then
if(cnt = 23)
then
cnt:= 0;
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 5);
else
cnt:= cnt + 1;
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 5);
end if;
end if;
end process;
end cnt_behavior;
Выше счетчик часов. Ничего нового.
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
For CONV_STD_LOGIC_VECTOR:
use ieee.std_logic_arith.all;
Entity bin2bcd_5bit is
port(bin:in std_logic_vector(4 downto 0);
bcd1:out std_logic_vector(3 downto 0);
bcd10:out std_logic_vector(3 downto 0)
);
End bin2bcd_5bit;
Architecture converter_behavior of bin2bcd_5bit is
begin
process(bin)
variable i: integer range 0 to 23;
variable i1: integer range 0 to 9;
begin
i:= conv_integer(bin);
i1:= i / 10;
bcd10 <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(i1, 4);
i1:= i rem 10;
bcd1 <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(i1, 4);
end process;
end converter_behavior;
Преобразователь Binary в BCD, по сути, просто разбивает одно бинарное число на два, каждое из которых представляет разряд десятичного числа. Из новинок – оператор rem, остаток от деления. Аналогично написан и преобразователь для шести бит, его приводить не буду.
Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
Entity BCD_to_7seg is
port(
BCD:in std_logic_vector(3 downto 0);
seg:out std_logic_vector(6 downto 0)
);
End BCD_to_7seg;
Architecture conv_behavior of BCD_to_7seg is
begin
process(BCD)
begin
if BCD = "0000" then seg <= "0000001";--0
elsif BCD = "0001" then seg <= "1001111";--1
elsif BCD = "0010" then seg <= "0010010";--2
elsif BCD = "0011" then seg <= "0000110";--3
elsif BCD = "0100" then seg <= "1001100";--4
elsif BCD = "0101" then seg <= "0100100";--5
elsif BCD = "0110" then seg <= "0100000";--6
elsif BCD = "0111" then seg <= "0001111";--7
elsif BCD = "1000" then seg <= "0000000";--8
elsif BCD = "1001" then seg <= "0000100";--9
else seg <= "1001001";--err
end if;
end process;
end conv_behavior;
Преобразователь одного разряда в семисегментный код, реализованный простой таблицей истинности. Сам семисегментный код представляет собой битовое представление горящих сегментов на индикаторе в порядке abcdefg, в моем случае еще и инверсное.
Поле, засеянное Массивами Программируемых Калиток
Начинаем курс лекций о том, что такое программируемая логика и как начать ее использовать на благо себя и ближнего своего…
ПЛИС
- так ЭТО называется по-русски. П
рограммируемая Л
огическая И
нтегральная С
хема.
По-буржуйски это звучит несколько иначе - FPGA
- F
ield of P
rogrammable G
ate A
rrays.
Дословно это переводится как "Поле, засеянное массивами программируемых калиток."
Если быть чуть серьезнее, можно назвать это "Матрица программируемых вентилей"
Что такое вентиль?
Совершенно верно, это в подвале такая хреновина на водопроводной трубе, которую если завинтишь,
то весь дом останется без воды. Короче говоря, это то, что может закрываться и открываться.
Так вот, пусть для вас это будет откровением, но каждая микросхема состоит из вентилей. Правда, они не совсем похожи на то, что у вас и у меня в подвале. Но делают они то же самое - открываются и закрываются.
Вентиль - это элементарная составляющая любой цифровой микросхемы.
Даже самый навороченный супермегапроцессор состоит из вентилей. Их в нем много, очень много, просто целое море. Естественно, что в каждой микросхеме вентили соединены определенным образом. Собственно, от того, как они соединены, и зависит функциональность микросхемы.
В обычных микросхемах схема соединения вентилей задается при изготовлении,
и в последствии ее изменить уже нельзя.
ПЛИС позволяет нам задавать эту схему самим, и изменять ее как нам заблагорассудится уже при
"жизни" микросхемы. Достаточно лишь нарисовать схему на компютере и при помощи программатора прошить ее в микросхему ПЛИС.
Это в-общем.
На самом деле, все гораздо сложнее:) Смотрим на рисунок
Это есть одна макроячейка - Macrocell по-ихнему.
Каждая микросхема ПЛИС состоит из таких вот макроце… макроячеек.
Как видно из схемы макроячейки, она состоит из блока Look-Up Table (LUT
) - "Просмотровой таблицы",
а также, триггера
с синхронными и асинхронными входами и некоторой логики по входам триггера.
Программируется, собственно, только LUT. Как видите, у нее 4 входа и один выход.
Этот выход может быть подан как непосредственно на выход макроячейки (Q0), так на синхронный вход данных триггера (D).
LUT - это ни что иное как ПЗУ на 16 1-битных ячеек. При подаче на входы LUT (D0…D3) некой комбинации цифровых сигналов, она воспринимает их как адрес и выдает на выход содержимое ячейки по этому адресу.
Вообще, любая схема из логических элементов, у которой 4 входа (или меньше) и один выход, может быть описана таблицей истинности в 16 строк. Например, возьмем вот такую несложную схему, и напишем для нее таблицу истинности:
Таблица истинности описывает логический уровень выхода схемы (Q) для всех возможных комбинаций сигналов на входах (D0…D3). Точно так же в LUT каждой комбинации входных сигналов (читай - каждому адресу ПЗУ) сопоставлен свой выходной сигнал. То есть, в LUT прошивается таблица истинности той схемы, которую мы хотим видеть на его месте. Вот так все просто!
Если схема содержит более 4 входов или более 1 выхода - используются LUT нескольких макроячеек.
clear="all">
Но самое главное - это триггер. Ведь, как вы знаете (а может, еще не знаете), все регистры, счетчики и многие другие элементы цифровой техники состоят именно из триггеров. Так вот, количество макроячеек в микросхеме ПЛИС определяет количество триггеров. И наоборот:) Так что, выбирая микросхему для какого-либо проекта, надо предварительньно прикинуть, сколько триггеров будет в схеме, и брать с запасом…
На рисунке чуть ниже изображена структурная схема микросхем серии EPM7000 фирмы Altera Эта картинка дернута из даташита https://www.altera.com/literature/ds/m7000.pdf Она относится к микросхемам EPM7032, EPM7064, EPM7096. Дык вот, последние две цифры в названии обозначают именно количество макроячеек в микросхеме.
Как видно из схемы, макроячейки объединяются в "блоки логических массивов" (LAB - Logic Array Block).
Эти блоки соединяются между собой через "программируемый массив внутренних соединений" -
programmable interconnect array (PIA).
Кроме того, LAB"ы подключаются к выводам микросхемы через блоки управления ввода/вывода (I/O Control Block).
При прошивке, в каждый из блоков "зашивается" своя информация:
- В Макроячейках программируются LUT"ы,
- в PIA зашивается информация о внутренних межблочных соединениях,
- в блоки управления ввода/вывода (I/O Control Block) зашивается информация о подключениях к ногам микросхемы.
По-серьезному, "прошивка" ПЛИС называется "загрузка конфигурации".
А как вы думаете, чем мы будем загружать конфигурацию???
Ну конечно же, старым добрым Байт Бластером! :) Байт бластер - это штука универсальная:)
О том, как его сделать, подробнейшим образом я рассказывал вот
