СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2013

В ВЕДЕНИЕ Программируемые логические ин тегральные схемы, появившиеся в се редине 1980 х годов, в настоящее вре мя сформировали области примене ния с характерными подходами к проектированию и особенностями разрабатываемых устройств. Номен клатура микросхем ПЛИС с наиболее развитой и популярной архитектурой FPGA, выпускаемых компаниямиXilinx и Altera, регулярно обновляется на базе актуального технологического про цесса. Программируемые микросхемы с архитектурой FPGA (Field Program mable Gate Array, программируемые пользователем вентильные матрицы) содержат набор конфигурируемых блоков (логических ячеек), образован ных базовыми компонентами цифро вой логики – логическими элементами и триггерами. Отдельные ячейки со единяются друг с другом с помощью программируемых трассировочных линий, как показано на рисунке 1. На рисунке 1 видно, что две ячейки массива запрограммированы для вы полнения определённой логической функции. Поскольку для реализации всей схемы одной ячейки оказалось недостаточно, её выход был подклю чён ко входу другой ячейки, для чего были задействованы трассировочные линии FPGA. Чтобы реализовать такую схему, необходимо задать режимы ра боты отдельных компонентов внутри ячеек, а также активировать цифровые ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2013 ключи, соединяющие отдельные сег менты трассировочных линий. На стройки компонентов и информация о включенных и выключенных комму таторах хранится в специальной па мяти внутри FPGA. Эта память выпол нена по технологии SRAM, поэтому имеет неограниченное число циклов перезаписи, но теряет информацию при отключении питания. Поэтому микросхему FPGA необходимо запро граммировать при включении – пере дать через специальный интерфейс со держимое файла конфигурации. На практике программирование яче ек и формирование трассировочных линий выполняется с помощью САПР. Структура файла конфигурации явля ется строго конфиденциальной ин формацией, и формирование такого файла может быть выполнено только с помощью программных средств про изводителя ПЛИС. Проектирование на микросхемах FPGA имеет некоторые особенности. Во первых, эти ПЛИС подразумевают неоднородность схемы. Это означает, что сложные схемы с неравномерным использованием компонентов необхо димо приводить к базовымлогическим ячейкам, причём весьма вероятно, что какие то возможности ячеек останут ся незадействованными. Во вторых, программируемые трассировочные линии имеют бо5 льшую задержку рас пространения сигнала по сравнениюс металлическими соединениями инте гральных микросхем. Поэтому рабо чие частоты ПЛИС меньше, чем часто тыстандартных цифровыхмикросхем. Таким образом, проекты на базе ПЛИС оказываются дороже и медлен нее решений на базе стандартных (Standard Product) или специализи рованных микросхем (ASIC, ASSP). Тем не менее, в процессе развития цифро вой микроэлектроники производство ПЛИС демонстрировало устойчивый рост. Это связано с тем, что стоимость подготовки производства интеграль ных схем постоянно возрастает и, на пример, для 32 нм технологического процесса может достигать 200 млн долл. США (по данным 2012 г.). Поэто му разработка специализированной микросхемыоказывается экономичес ки целесообразной только для массо вого производства, а ПЛИС являются подходящей элементной базой для цифровых устройств с уникальной архитектурой, выпускаемых неболь шими партиями. Другими преимуществамиПЛИС яв ляются возможность реализации па раллельных вычислительных структур и достижение высокой степени инте грации компонентов на основе не больших блоков, реализующих прос тые операции. ПЛИС с архитектурой FPGA традиционно используются в за дачах цифровой обработки сигналов, поскольку обеспечивают очень высо кие показатели производительности (до 5,8 TMAC/с). Другим крупным по требителем FPGA являются коммуни кационные устройства, прежде всего, магистральное оборудование провод ной связи. Х АРАКТЕРИСТИКИ ПЛИС СЕРИИ 7 Компания Xilinx с 1985 г. выпускает ПЛИС, представляющие основные ар хитектуры – CPLD (Complex Program mable Logic Device, сложная програм мируемая логическая схема) и FPGA. С развитием полупроводниковой тех нологии микросхемы с архитектурой FPGA совершенствовались более ак тивно, так как возможности их масш табирования позволяют создавать кристаллы с миллионами логических ячеек. В настоящее время именно FPGA являются наиболее универсальными и мощными программируемыми мик росхемами, позволяющими реализо вать широкий спектр цифровых уст ройств. МикросхемыCPLD в основном используются для замены дискретных цифровых компонентов. Компания Xilinx, как и большинст во разработчиков ПЛИС, не имеет собственного производства, а заказы вает изготовление микросхем на сто роне. Соответственно, по мере освое ния новых технологическихпроцессов мировымипроизводителями, Xilinx вы пускает новое поколение ПЛИС. Рис. 1. Фрагмент ПЛИС с архитектурой FPGA ПЛИС Xilinx серии 7 Илья Тарасов (Москва) В настоящее время компания Xilinx, занимающая чуть более половины рынка FPGA, предлагает микросхемы ПЛИС серии 7, выпускаемые с применением 28!нм норм технологического процесса.