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 стоимостью самих кристаллов, и обусловило широкое распространение БМК в 60-70 го¬ды. Однако весьма очевидны и недостатки матричных кристаллов.

Прежде всего речь идет о значительных сроках и затратах на проектирование специализированных ИС на основе БМК. Эта негативная их особенность послужила предпосылкой для появления нового класса специализированных полузаказных микросхем (СПИС) - программируемых логических ИС (ПЛИС). В зарубежной литературе синонимом ПЛИС является аббревиатура PLD-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, как правило, 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 с любой функцией цифровой логики. Проектирование сводится к выявлению программируемых элементов (перемычек или запоминающих ячеек), после удаления которых в структуре схемы остаются только те связи, которые необходимы для выполнения требуемых функций. На практике эта задача весьма непростая, так как современные ПЛИС содержат в среднем нес¬колько десятков тысяч перемычек. Поэтому для проектирования обяза¬тельно применяют системы автоматизированного проектирования (САПР

ПЛИС). 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 начинает по-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 плавкими перемычками по технологии ТТЛШ, производимые в НИИМЭ в Зеленограде. В их 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 с УФ-стиранием. Наибольшую известность получили ПЛИС 85С060,85С090 и 85C22V10, считавшаяся в 80-х годах мировым промышленным стандартом на

ПЛИС. Основные характеристики зарубежных и отечественных ПЛИС приведены в таблице. 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 средней степени 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 ПЛИС средней 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 разрабатываются контроллеры, адресные дешифраторы, логика обрамления микропроцессоров,

формирователи управляющих сигналов и др. На ПЛИС часто изготавливают микропрограммные 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 связи ПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных сигналов. Применение ПЛИС становится актуальным еще и потому, что у разработ¬чиков зачастую нет необходимых стандартных

микросхем.