st

Блоги

Введение в ПЛИС

Время обновления: мар 11, 2024    Читательская аудитория: 154

Введение в ПЛИС

 

Что такое ПЛИС?


В сфере цифрового проектирования FPGA, или программируемая пользователем вентильная матрица, является краеугольным камнем инноваций. Первоначально представленная как развитие программируемых устройств, таких как PAL, GAL и CPLD, FPGA выходит за рамки традиционных схемотехнических ограничений. Позиционируемое как полуиндивидуальное решение в области интегральных схем специального назначения (ASIC), оно не только устраняет недостатки заказных схем, но и преодолевает их.

По сути, FPGA — это чип, наделенный преобразующей силой программирования. Он представляет собой парадигму, в которой внутренняя архитектура чипа не статична, а изменчива. Чтобы раскрыть свой потенциал, дизайнеры создают языки описания аппаратного обеспечения, которые при программировании претерпевают ряд преобразований — компиляцию, синтез, компоновку и маршрутизацию — с помощью инструментов Electronic Design Automation (EDA). Полученный файл затем загружается в устройство FPGA, инициируя метаморфозу внутренней проводки, завершающуюся реализацией конкретных функций. На данном этапе FPGA представляет собой гибкий инструмент, предназначенный для индивидуальных приложений.

Для сравнения, ПЛИС отличается от своего аналога — микроконтроллера — по структурной сущности. В то время как микроконтроллеры имитируют роль процессора компьютера, работая в рамках гарвардской архитектуры или архитектуры фон Неймана, структура FPGA воплощает в себе универсальность справочных таблиц. Эта сложная конструкция делает его пригодным для сложных приложений, таких как проектирование интерфейсов связи и обработка цифровых сигналов. Кроме того, FPGA служат инструментами для проверки прототипов ASIC.

 

Базовая структура FPGA


Фундаментальная суть FPGA заключается в ее программируемости, свойстве, исключающем использование фиксированных логических схем, повсеместно встречающихся в специализированных ASIC. Вместо этого FPGA имеют гибкую архитектуру, способствующую итеративной настройке. Центральным элементом этой структуры является таблица поиска (LUT), элементарный компонент, предназначенный для реализации различных функций цифровой логики. Преимущественно современные чипы FPGA остаются привязанными к технологии SRAM, используя ее возможности для облегчения плавной реконфигурации и адаптивности.
Методы хранения и настройки данных
Внутри FPGA имеется встроенный блок ОЗУ, предназначенный для хранения данных, что имеет решающее значение для установки рабочего состояния устройства. Для правильной работы FPGA встроенное ОЗУ должно быть запрограммировано соответствующим образом. В сценариях, требующих интенсивного взаимодействия с внешними данными, для временного хранения данных используются дополнительные периферийные устройства, такие как модули памяти SDRAM или DDR3. Однако в конечном итоге данные, временно хранящиеся на этих периферийных устройствах, должны передаваться и обрабатываться встроенной оперативной памятью в FPGA.

После завершения разработки программы с помощью инструмента Electronic Design Automation (EDA) программа записывается в FPGA, используя различные режимы конфигурации. Вот некоторые часто используемые режимы конфигурации:

Параллельный режим. Этот режим включает настройку FPGA через параллельные модули PROM и флэш-памяти.
Режим Master-Slave: использует одно PROM для одновременной настройки нескольких FPGA.
Последовательный режим: в этом режиме для настройки FPGA используется последовательное PROM.
Периферийный режим: здесь FPGA действует как периферийное устройство для микропроцессора, который программирует ее соответствующим образом.
В настоящее время основные FPGA преимущественно полагаются на технологию SRAM, при этом большинство плат разработки FPGA используют режим последовательной конфигурации. Поскольку SRAM теряет свои внутренние данные при отключении питания, для сохранения программирования обычно подключается внешняя внекристальная память, способная сохранять данные во время перебоев питания. Следовательно, при включении питания FPGA извлекает данные из внешней памяти во встроенное ОЗУ для конфигурации. После программирования FPGA переходит в рабочее состояние; однако при отключении питания данные, хранящиеся во внутренней SRAM FPGA, теряются, что приводит к сбросу логики.


Процесс проектирования ПЛИС


Процесс проектирования FPGA включает разработку микросхем FPGA с использованием программного обеспечения для разработки Electronic Design Automation (EDA) и инструментов программирования. Двумя основными методами, используемыми для описания цифровых аппаратных схем, являются принципиальные схемы и HDL (язык описания оборудования). Хотя оба метода широко распространены, использование HDL обеспечивает превосходную мобильность, универсальность и упрощает модульную конструкцию, что делает его широко распространенным как в профессиональных, так и в академических условиях. Типичный процесс разработки FPGA показан ниже и включает в себя такие ключевые этапы, как определение функции/выбор устройства, входные данные проекта, функциональное моделирование, комплексная оптимизация, моделирование после синтеза, реализация, моделирование после маршрутизации, моделирование на уровне платы и программирование микросхемы. отладка.