ПЛИС

ПЛИС типа CPLD компании «Altera», модель «MAX 7128»

Программи́руемая логи́ческая интегра́льная схе́ма (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент (интегральная микросхема), используемый для создания конфигурируемых цифровых электронных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программатор и IDE (отладочная среда), позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры (Verilog, VHDL, AHDL и других). Альтернативой ПЛИС являются:

• БМК — базовые матричные кристаллы, требующие заводского производственного процесса для программирования;
• ASIC — специализированные заказные большие интегральные схемы (БИС), которые при малосерийном и единичном производстве существенно дороже;
• специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, которые из‑за программного способа реализации алгоритмов в работе медленнее ПЛИС;
• непрограммируемые цифровые устройства и системы, настроенные на решение заранее известных задач, построенные на принципах так называемой «жёсткой логики».

Некоторые производители для своих ПЛИС предлагают программные процессоры, которые можно модифицировать под конкретную задачу, а затем встроить в ПЛИС. Тем самым:

• обеспечивается увеличение свободного места на печатной плате (возможность уменьшения размеров платы);
• упрощается проектирование ПЛИС;
• увеличивается быстродействие ПЛИС.

Этапы проектирования

1. Задание принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры (Verilog, VHDL, AHDL и других).
2. Логический синтез с помощью программ-синтезаторов (получение списка электрических соединений (в виде текста) из абстрактной модели, записанной на языке описания аппаратуры).
3. Проектирование печатной платы устройства с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР) печатных плат (Altium Designer, P-CAD и других), на которой размещается микросхема ПЛИС и прочие электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, генераторы, АЦП, разъёмы и другие).
4. Создание файла конфигурации ПЛИС.
5. Загрузка файла конфигурации в микросхему ПЛИС или в отдельную микросхему памяти. В результате загрузки микросхема ПЛИС обретает заданную функциональность.

Применение

ПЛИС широко используется для построения различных по сложности и по возможностям цифровых устройств, например:

• устройств с большим количеством портов ввода-вывода (бывают ПЛИС с более чем 1000 выводов («пинов»));
• устройств, выполняющих цифровую обработку сигнала (ЦОС);
• цифровой видеоаудиоаппаратуры;
• устройств, выполняющих передачу данных на высокой скорости;
• устройств, выполняющих криптографические операции, систем защиты информации;
• устройств, предназначенных для проектирования и прототипирования интегральных схем специального назначения (ASIC);
• устройств, выполняющих роль мостов (коммутаторов) между системами с различной логикой и напряжением питания;
• реализаций нейрочипов;
• устройств, выполняющих моделирование квантовых вычислений;
• устройств, выполняющих обработку радиолокационной информации.

Типы ПЛИС

Ранние ПЛИС

В 1970 году компания «Texas Instruments» (далее «TI») разработала масочные (то есть, программируемые с помощью маски, англ. mask-programmable) интегральные схемы (далее ИС), основанные на ассоциативном ПЗУ (ROAM) фирмы «IBM». Эта микросхема называлась TMS2000 и программировалась чередованием металлических слоёв в процессе производства ИС. TMS2000 имела до 17 входов и 18 выходов с 8 JK-триггерами в качестве памяти. Для этих устройств компания «TI» ввела термин PLA — англ. programmable logic array — программируемая логическая матрица.

PAL

PAL (англ. programmable array logic) — программируемый массив (матрица) логики. В СССР PLA и PLM не различались и обозначились как ПЛМ (программируемая логическая матрица). Разница между PLA и PLM состоит в доступности программирования внутренней структуры (матриц).

GAL

GAL (англ. generic array logic) — это ПЛИС, имеющие программируемую матрицу «И» и фиксированную матрицу «ИЛИ».

CPLD

Основная статья: CPLD

CPLD (англ. complex programmable logic device — сложные программируемые логические устройства) содержат относительно крупные программируемые логические блоки — макроячейки, соединённые с внешними выводами и внутренними шинами. Функциональность CPLD кодируется в энергонезависимой памяти, поэтому нет необходимости их перепрограммировать при включении. Может применяться для расширения числа входов/выходов рядом с большими кристаллами, или для предобработки сигналов (например, контроллер COM-порта, USB, VGA).

FPGA

Основная статья: FPGA

FPGA (англ. field-programmable gate array) содержат блоки умножения-суммирования, которые широко применяются при обработке сигналов (DSP, англ. digital signal processing), а также логические элементы (как правило, на базе таблиц перекодировки — таблиц истинности) и их блоки коммутации. FPGA обычно используются для обработки сигналов, имеют больше логических элементов и более гибкую архитектуру, чем CPLD. Программа для FPGA хранится в распределённой памяти, которая может быть выполнена как на основе энергозависимых ячеек статического ОЗУ (подобные микросхемы производят, например, фирмы «Xilinx» и «Altera») — в этом случае программа не сохраняется при исчезновении электропитания микросхемы, так и на основе энергонезависимых ячеек flash-памяти или перемычек antifuse (такие микросхемы производят фирмы «Actel» и «Lattice Semiconductor») — в этих случаях программа сохраняется при исчезновении электропитания. Если программа хранится в энергозависимой памяти, то при каждом включении питания микросхемы необходимо заново конфигурировать её при помощи начального загрузчика, который может быть встроен и в саму FPGA. Альтернативой ПЛИС FPGA являются более медленные цифровые процессоры обработки сигналов. FPGA применяются также, как ускорители универсальных процессоров в суперкомпьютерах (например, компьютер «Cray XD1» компании «Cray», проект «RASC» компании «Silicon Graphics» («SGI»)).

Некоторые мировые производители ПЛИС

• Achronix
• Actel
• Altera
• Atmel
• Lattice semiconductor
• Xilinx
• TSMC
• GoWin Semiconductor.

См. также

• Программируемая аналоговая интегральная схема
• Программируемая пользователем вентильная матрица
• Периферийное сканирование
• Система на кристалле

Литература

• Угрюмов Е. П. Глава 7. Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика, базовые матричные кристаллы / Цифровая схемотехника. Учеб. пособие для вузов. Изд.2, БХВ-Петербург, 2004. С. 357.

Ссылки

• Пример разработки в WinCupl на SPLD ATF16V8.
• Видеоуроки проектирования на ПЛИС Xilinx Архивная копия от 2 июля 2012 на Wayback Machine.
• Описания ПЛИС известных фирм.
• Соловьев В., Климович А. «Введение в проектирование комбинационных схем на ПЛИС Архивная копия от 17 сентября 2011 на Wayback Machine».
• «Проектирование ПЛИС в Altera Quartus II Архивная копия от 20 августа 2013 на Wayback Machine».
• Платформы. Технология ПЛИС и её применение для создания нейрочипов Архивная копия от 15 апреля 2011 на Wayback Machine.
• Стешенко В. Б. «Реализация на ПЛИС цифровых демодуляторов сигналов с частотной манипуляцией». Кафедра СМ5 МГТУ им. Н. Э. Баумана.
• Стешенко В. «Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС».
• Основные производители современных ПЛИС-компьютеров и комплектующих к ним Архивная копия от 18 августа 2021 на Wayback Machine.