Дипломная работа: Розробка цифрових засобів ПЛІС в інтегрованому середовищі проектування MAX+PLUS II

У структурі PAL (рис. 1.4), навпаки, програмується тільки матриця І, а матриця АБО має фіксоване налагодження, при якій q проміжних шин зв'язується з одним виходом. Це дозволяє матрицю АБО реалізувати у виді сукупності q-входових диз‘юнкторов.

На перший погляд може показатися, що PAL значно уступають PLA за своїми можливостями, оскільки вводиться обмеження на число проміжних шин, що приєднуються до одного виходу. Практика ж показує, що дане обмеження в більшості застосувань не критично.

Якщо все-таки це трапляється, можливо об'єднати кілька виходів по АБО за допомогою логічного елемента або провідним з'єднанням (для нверсної логіки).

Рис. 1.4. Структура PAL.

З іншого боку, у PAL програмується тільки одна матриця І, що значно спрощує структуру PAL і, як наслідок, приводить до зниження вартості пристрою і підвищенню його швидкодії. Крім того, спрощення матриці АБО дозволило додати в структуру PAL ланцюг зворотного зв'язку і вихідні буфери, завдяки чому PAL набули нових якостей.

Вихідні буфери PAL являють собою програмувальн макроосередки, що і визначають архітектуру PAL. Макроосередки PAL можуть включати вихідний інвертор із трьома станами, тригери різного типу, вентил "АБО, що вилучає" і ін. Відповідно до типу вихідних макроосередків PAL поділяють на функціональні групи: комбінаційні, реєстрові, універсальні, асинхронні й ін. У свою чергу виробники поділяють PAL на сімейства, у яких виділяють серії пристроїв, причому в одній серії можуть зустрічатися пристрої з різних функціональних груп. Більш того, різні типи вихідних макроосередків можуть одночасно зустрічатися в одній PAL.

Безумовно, приведена класифікація не охоплює вс розмаїтості SPLD. Наприклад, структуру, що дуже нагадує PLA, мають програмувальн логічні секвенсери (Programmable Logic Sequencers - PLS), а узагальнені матриц логіки (УМЛ - Generic Array Logics - GAL) подібні PAL.

Рис.1.5. Узагальнена структура CPLD

Складними PLD прийнято називати мікросхеми високого ступеня інтеграції, структура яких являє собою сукупність функціональних блоків з архітектурою PAL (рис. 1.5), поєднаних програмувальною матрицею переключень (Switch Matrix - SM).

Багатьма фірмами випускаються різні структури CPLD. Наприклад, фірма AMD свої CPLD назвала КМОП-макроматриці високої щільності (Macro Array CMOS High-density - MACH). Фірма Altera випускає кілька видів CPLD: багаторазові матричні таблиці (Multiple Array Matrix - MAX) і FLASH-пристрої, названі за засобом перепрограмування елементів, що здатні до багаторазового налагоджування.

Подальший розвиток структура складних PLD одержала в мікросхемах фірми Altera, названих матрицями елементів гнучкої логіки (Flexible Logic Element Matrix - FLEX), узагальнена структура яких подана на рис. 1.6. Тут відсутня звична PAL-структура, а є лише блоки логічних елементів, поєднувані в LAB-модулі (LAB - Logic Array Block) по 8 елементів у кожнім. Відмінною рисою FLEX-пристроїв є те, що матриця переключень реалізована у вигляді горизонтальних і вертикальних каналів з’єднань (каналів трасування).

Рис. 1.6. Структура FLEX-пристроїв

Це дозволило значно зменшити площу кристала, займаного матрицею переключень, без суттєвого зниження властивостей CPLD. Елементи введення-виведення (IOE - Input/Output Element), що обслуговують зовнішн виводи, приєднуються безпосередньо до каналів з’єднань.

Архітектуру FPGA доцільно розглянути на приклад пристроїв фірми Xilinix. Основу структури FPGA (рис. 1.7) складає матриця логічних елементів (Logic Element - LE), між якими розташовується поле з’єднань: сукупність вертикальних і горизонтальних каналів.

Якщо в FLEX-пристроях лінії каналів з’єднань безперервні і проходять через всю довжину або ширину кристала, то в FPGA лін каналів складаються з окремих сегментів, що з'єднуються програмувальними матрицями переключень. По боках кристала FPGA розташовані блоки введення-виведення (Input/Output Blocks - IOBs).

Рис.1.7. Структура FPGA фірми Xilinix

Розглянута класифікація PLD стосується лише їх архітектури. Існують класифікації PLD за типом налагоджуваного елемента, кількістю перепрограмувань, затримці при проходженні сигналів и так далі. Виходячи з поставленого технічного завдання проектувальник самостійно обира тип програмуємих логічних інтегральних схем, користуючись співвідношенням основних параметрів PLD (табл. 1.1) до ціни конкретної мікросхеми. Чималу роль при обранні елементної бази відіграють і досвід проектувальника, а також доступність програмних засобів ефективного синтезу логічної схеми. Останнім часом компанії-виробники PLD звернули увагу на розробку саме таких програмних пакетів.

2. Призначення та структура системи автоматизованого проектування MAX+PLUS II

Система автоматизованого проектування MAX+PLUS II являє собою інтегроване середовище для розробки цифрових пристроїв на баз програмувальних логічних інтегральних схем фірми Altera. Він забезпечу виконання всіх етапів, необхідних для випуску готових виробів:

1)         створення проектів логічних пристроїв;

2)         синтез структур трасування внутрішніх зв'язків програмувальних логічних інтегральних схем;

3)         підготовку даних для програмування або конфігурацію програмувальних логічних інтегральних схем (компіляцію);

4)         верифікацію проектів (функціональне моделювання і часовий аналіз), програмування або конфігурацію програмувальних логічних інтегральних схем.

Наданий на рис. 2.1 склад програмного забезпечення системи автоматизованого проектування MAX+PLUS II є повним комплектом, що забезпечує створення логічних дизайнів для пристроїв фірми Altera з програмувальною логікою, в тому числі і родин пристроїв ACEX 1000, MAX 7000, MAX 9000, FLEX 6000, FLEX 8000, FLEX 10000.

Рис. 2.1. Середовище проектування в системі MAX+PLUS II

В систему автоматизованого проектування MAX+PLUS II входять 11 додатків (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Додатки в системі MAX+PLUS II

Сукупність ієрархічно пов’язаних файлів називається проектом (project). Можливо описати проект (Design Entry) у вигляді файла на мов описання апаратури, створеного в зовнішньому редакторі, або в текстовому редакторі MAX+PLUS II (Text Editor), у вигляді схеми електричної принципової за допомогою графічного редактора (Graphic Editor); у вигляді часової діаграми, створеної в сигнальному редакторі (Waveform Editor). Для зручності роботи з складними ієрархічними проектами кожному проекту нижчого рівня ієрархії може бути поставлений у відповідність символ, редагування якого відбувається за допомогою символьного редактора (Symbol Editor). Редагування розміщення вузлів по логічним блокам і виводам програмувальних логічних інтегральних схем відбувається за допомогою порівневого планувальника (Floorplan editor).

Верифікація проекту (Project verification) виконується за допомогою симулятора (simulator), результати роботи якого зручно проглянути в сигнальному редакторі. Тестові впливи створюються також в сигнальному редакторі.

Компіляція проекту, в тому числі і витягнення із списку з’єднань компонентів (Netlist Extractor), побудова бази даних (Data Base Builder), логічний синтез, зволікання часових, функціональних параметрів (SNF Extractor), розбиття на частини (Partioner), трасування (Fitter) і формування файла програмування і завантаження (Assembler) виконуються за допомогою компілятора (Compiler) системи.

Безпосереднє програмування або завантаження конфігурац пристроїв з використанням відповідного апаратного забезпечення виконується з використанням модуля програматора (Programmer).

Більшість характерних рис команди – такі, як відкриття файлів, введення назначених пристроїв, виводів логічних елементів, компіляція плинного проекту – схожі для багатьох додатків системи MAX+PLUS II. Редактори для розробки проекту (графічний, текстовий, сигнальний) мають багато спільного з допоміжними редакторами (порівневого планування та символьний). Кожний редактор розробки проекту дозволяє виконувати схожі завдання схожим способом.

Можливо легко комбінувати різні типи файлів в ієрархічному проекті, обираючи для кожного функціонального блоку той формат описання проекту, який є більш зручним. Бібліотека мегафункцій макрофункцій, що надається фірмою Altera, в тому числі і функції з бібліотеки параметризованих модулів, забезпечує додаткові можливості для описання проекту.

Можна одночасно працювати з різними додатками системи MAX+PLUS II. Наприклад, можна відкрити декілька файлів проекту і переносити нформацію з одного проекту в інший, або наприклад проглянути все дерево проекту.

Основою системи MAX+PLUS II є компілятор, що забезпечує потужні засоби обробки проекту, при цьому можливо задавати різн режими роботи компілятора. Автоматична локалізація помилок, видача повідомлень достатньо широка документація про помилки прискорюють і полегшують проведення змін в проекті. Стало можливим створювати вихідні файли в різних форматах для різних цілей, таких, як робота функцій, часових параметрів і зв’язку декількох пристроїв, аналізу часових параметрів, програмування пристрою.

3. Додатки системи автоматизованого проектування MAX+PLUS II

Програмне забезпечення системи автоматизованого проектування MAX+PLUS II складається з 11 додатків і головної керуючо оболонки.

Різні додатки, що забезпечують створення файлу проекту, можуть бути активізовані миттєво, що дозволяє користувачу переключатися між ними за допомогою миші або командного меню. В цей же час може працювати один з фонових додатків, наприклад компілятор, симулятор, часовий аналізатор, програматор. Одні і ті ж команди різних додатків працюють однаково, що полегшує процес роботи розробки проекту.

Вікно будь-якого додатку можна згорнути до піктограми, не закриваючи самого додатку, а потім знову його розкрити.

В табл. 3.1 наведено піктограми і описання додатків.

Табл. 3.1. Додатки системи автоматизованого проектування MAX+PLUS II

Піктограма	Назва	Функціональне призначення доданку
	Огляд ієрархії (Hierarchy Display)	Відображає плинну ієрархічну структуру файлів у вигляді дерева з гілками, що являють собою підпроекти. Можна візуально визначити чи є файл проекту схемним, текстовим чи сигнальним; які файли відкрити в даний момент; які допоміжні файли в проекті доступні для редагування. Можна також безпосередньо відкрити або закрити один або декілька файлів дерева і ввести ресурси
	Графічний редактор (Graphic Editor)	Дозволяє розробляти схемний логічний дизайн в форматі реального відображення на екрані WYSIWYNG. Використовуючи розроблен фірмою Altera примітиви, мегафункції і макрофункції в якості основних блоків розробки, користувач може також використовувати свої символи
	Символьний редактор (Symbol Editor)	Дозволяє редагувати існуючі і створювати нов символи
	Текстовий редактор (Text Editor)	Дозволяє створювати і редагувати текстові файли проекту, що написані на мовах AHDL, VHDL і Verilog HDL. Крім того, в даному редакторі можна створювати, розглядати і редагувати інші файли формату ASCII, що використовуються іншими додатками MAX+PLUS II
	Сигнальний редактор (Waveform Editor)	Виконує подвійну функцію: це інструмент для розробки проекту і одночасно - інструмент для введення текстових сигналів спостережень тестування
	Порівневий планувальник (Floorplan Editor)	Дозволяє графічним засобам створювати призначення виводам приладу і ресурсів логічних елементів та блоків. Можна редагувати розташуванням виводів на кресленні корпуса пристрою і призначити сигнали окремим логічним елементам на більш детальній схемі логічної структури
	Компілятор (Compiler)	Обробляє логічні проекти, що розроблені для сімейств Altera Classic, MAX 5000, MAX 7000, MAX 9000, FLEX 6000, FLEX 8000, i FLEX 10k. Більшість завдань виконується автоматично, але користувач може керувати процесом компіляції повністю або частково
	Симулятор (Simulator)	Дозволяє тестувати логічні сигнали і внутрішню синхронізацію логічної схеми, що проектується. Можливі три варіанти тестування: функціональне, часове і тестування декількох поєднаних між собою пристоїв
	Аналізатор часових параметрів (Timing Analyzer)	Аналізує роботу логічного ланцюга, що проектується після того, як вона була синтезована та імітизована компілятором, дозволя оцінювати затримки в схемі
	Програматор (Programmer)	Дозволяє програмувати, конфігурувати, проводити верифікацію і досліджувати пристрої фірми Altera
	Генератор повідомлень (Message Processor)	Видає на екран повідомлення про помилки, попереджуючі і інформаційні повідомлення про стан проекту користувача дозволяє користувачу автоматично знайти джерело, повідомлення у вихідному або допоміжному файлі (файлах) і порівневому плані призначень

4. Процедура розробки нового проекту в системі автоматизованого проектування MAX+PLUS II

Процедуру розробки нового проекту від концепції до завершення можливо спрощено представити наступним чином:

1.         створення нового файлу проекту або ієрархічної структури декількох файлів проекту з використанням різних редакторів розробки проекту в системі MAX+PLUS II, тобто графічного, текстового і сигнального редакторів;

2.         присвоєння імені файлу проекту верхнього рівня (Top of hierarchy) як імені проекту (Project name);

3.         призначення родини програмувальних логічних інтегральних схем для реалізації проекту. Користувач може сам призначати конкретний пристрій або передати цю дію компілятору з метою оцінки наявних ресурсів;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10