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 стоимостьюсамих кристаллов, и обусловило широкое распространение БМК в 60-70 го-ды.Однако весьма очевидны и недостатки матричных кристаллов. Преждевсего речь идет о значительных сроках и затратах на проектированиеспециализированных ИС на основе БМК. Эта негативная их особенностьпослужила предпосылкой для появления нового класса специализированныхполузаказных микросхем (СПИС) - программируемых логических ИС (ПЛИС).В зарубежной литературе синонимом ПЛИС является аббревиатураPLD-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, какправило, 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 слюбой функцией цифровой логики. Проектирование сводится к выявлениюпрограммируемых элементов (перемычек или запоминающих ячеек), послеудаления которых в структуре схемы остаются только те связи, которыенеобходимы для выполнения требуемых функций. На практике эта задачавесьма непростая, так как современные ПЛИС содержат в среднем нес-колько десятков тысяч перемычек. Поэтому для проектирования обяза-тельно применяют системы автоматизированного проектирования (САПРПЛИС).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 начинаетпо-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 плавкимиперемычками по технологии ТТЛШ, производимые в НИИМЭ в Зеленограде. Вих 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 сУФ-стиранием. Наибольшую известность получили ПЛИС 85С060,85С090 и85C22V10, считавшаяся в 80-х годах мировым промышленным стандартом наПЛИС.Основные характеристики зарубежных и отечественных ПЛИС приведены втаблице.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 среднейстепени 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 ПЛИСсредней 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 разрабатываютсяконтроллеры, адресные дешифраторы, логика обрамления микропроцессоров,формирователи управляющих сигналов и др. На ПЛИС часто изготавливаютмикропрограммные 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 связиПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных сигналов.Применение ПЛИС становится актуальным еще и потому, что у разработ-чиков зачастую нет необходимых стандартных микросхем.