ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ПЛИС из "Проектирование на ПЛИС архитектура, средства и методы " С появлением схем на стандартных элементах эксперты предсказывали конец вентильным матрицам. Но, несмотря на то что, согласно пословице ничто не вечно под луной , они продолжают занимать свою нишу на рынке, а несколько лет назад даже пережили свое второе рождение. [c.52] Структурированные специализированные микросхемы, кстати вначале они назывались иначе, появились на свет примерно в начале 90-х и прослонявшись без дела некоторое время, вернулись в преисподнюю, откуда собственно и пришли. Спустя 10 лет, примерно где-то в 2001-2002 году, некоторые производители приступили к изучению способов снижения затрат на проектирование специализированных микросхем и сокращения продолжительности их разработки. Всех пугал тот факт, что новые устройства ассоциировались с традиционными вентильными матрицами. Поэтому, когда примерно в 2003 году появилось название структурированные специализированные микросхемы (stru tured AS 1 ), оно сразу пришлось всем по душе. [c.52] Конечно же, как обычно, у каждого поставщика собственная архитектура устройства. В связи с этим будут рассмотрены только общие черты этих устройств. Каждое устройство начинается с фундаментального элемента, который одни ягзыъгют модуль, а другие элемент мозаики. Такой элемент может содержать изготовленный заводским способом набор общей логики, выполненной в виде логических вентилей, мультиплексоров или таблиц соответствия, одного или нескольких регистров, и, возможно, небольшого локального ОЗУ (Рис. 3.15). [c.52] Массив таких элементов изготавливается заводским способом по всей поверхности кристалла. Некоторые альтернативные архитектуры начинаются с базисной ячейки или базисного модуля, или базисного элемента мозаики, или др., в состав которой входят только элементы общей логики в форме изготовленных заводским способом вентилей, мультиплексоров или таблиц соответствия. Массив таких базисных единиц (говорят 4x4, 8x8 или 16x16) в соединении с некоторыми специальными модулями, содержащими регистры, небольшие элементы памяти и другую логику, образует базовую ячейку или базовый модуль, или базовый элемент мозаики, или др. Этот массив изготавливается заводским способом по всей поверхности кристалла. [c.52] Заводским способом также изготавливаются, обычно по контуру кристалла, некоторые дополнительные функции, например блоки ОЗУ, тактовые генераторы, логика периферийного сканирования и другие функции (Рис. 3.16). [c.53] Модули ввода/вывода, ядра и т. д. [c.53] Дело в том, что при выполнении устройства по заказу изготавливаются только слои металлизации, как и в случае стандартных вентильных матриц. Отличие кроется в том, что вследствие большей сложности модулей структурированных специализированных ИС большинство слоев металлизации уже предопределено. Таким образом, при изготовлении многих структурированных микросхем по заказу их архитектура нуждается всего лишь в двух или трех слоях металлизации, а в некоторых случаях требуется изготовить только один слой с переходными отверстиями. В результате значительно снижается стоимость и сокращается время изготовления оставшихся фотошаблонов, необходимых для создания устройства. [c.53] Определить точное значение параметров довольно сложно, однако предопределенная и изготовленная заводским способом логика структурированных микросхем, по сравнению со схемами на стандартных элементах, потребляет большую мощность, обладает большей производительностью и занимает больше места на кристалле. Для выполнения одних и тех же функций структурированные микросхемы в среднем требуют в три раза больше места на кристалле и потребляют в два-три раза больше энергии, чем схемы на стандартных элементах. На практике эти параметры существенно зависят от типа устройства и его архитектуры. К сожалению, в то время, когда писалась эта книга, не существов о каких-либо оценок параметров, основанных на промышленных стандартах. [c.53] В начале 80-х стало ясно, что в сфере цифровых микросхем образовался пробел. С одной стороны, существовали программируемые устройства, подобные простым и сложным ПЛУ, которые отличались высокой конфигурируемостью и малым временем изготовления и модификации. Но эти устройства не были способны поддерживать большие и сложные функции. [c.53] С другой стороны, существовали заказные специализированные интегральные микросхемы. Они поддерживали чрезвычайно большие и сложные функции, но также были чрезвычайно дорогими, и для их изготовления требовалось значительное время. Кроме того, окончательный вариант заказной микросхемы замораживался в кремнии (Рис. 3.17). [c.54] Основу первых ПЛИС составляла концепция программируемых логических блоков, которые включали в себя 3-х входовую таблицу соответствия LUT - lookup table), регистр, выполняющий функцию триггера или защелки, мультиплексор, а также некоторые другие элементы, не представляющие в данном контексте особого интереса. На Рис. 3.18 показан очень простой программируемый логический блок. Как будет показано в гл. 4, логический блок современной ПЛИС может быть чрезвычайно сложным. [c.54] Для этого в таблицу соответствия необходимо загрузить соответствующие выходные значения этой функции (Рис. 3.19). [c.55] ПЛИС состоит из большого числа программируемых логических блоков, или островов , окруженных морем программируемых внутренних соединений (Рис. 3.20). [c.55] Как обычно, упрощенная схема является всего лишь весьма приближенным представлением архитектуры ПЛИС. В действительности все транзисторы и внутренние соединения выполняются на одном кристалле кремния с помощью стандартных технологий изготовления интегральных микросхем. [c.55] Кроме локальных внутренних связей, показанных на Рис. 3.20, существуют глобальные, или высокоскоростные, соединения, которые передают сигналы через кристалл без участия многочисленных локальных переключающих элементов. [c.56] Устройство также содержит контактные площадки и ножки для ввода/вывода данных (на рисунке не показаны). С помощью ячеек памяти статического ОЗУ внутренние соединения профаммируются таким образом, чтобы входы микросхемы соединялись с входами одного или нескольких программируемых логических блоков, а выходы этих блоков подключались к входам другим блоков и/или подавались на выходы микросхемы. [c.56] В конечном итоге, ПЛИС успешно справились с ролью моста между ПЛУ и заказными специализированными микросхемами. С одной стороны, они обладают высокой степенью конфигурируемости и малым временем изготовления и модификации, как и ПЛУ. С другой стороны, они могут использоваться для реализации невероятно больших и сложных функций, которые раньше реализовывались только с помощью заказных микросхем. Специализированные заказные микросхемы предназначались для действительно больших, сложных и высокотехнологичных систем. Однако на место, отведенное этим микросхемам в сфере профаммируемой логики, посягают ПЛИС, которые по мере совершенствования начали постепенно их вытеснять. [c.56] Вернуться к основной статье