УДОБСТВО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛИС В СОВРЕМЕННЫХ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ

АННОТАЦИЯ

В статье автор пытается проанализировать актуальность и удобство использования ПЛИС в современных цифровых системах.

Ключевые слова: обработка сигналов; FPGA; CPLD, ПЛИС.

Микроконтроллер – это микросхема которая содержит в себе процессор, память, ПЗУ и различную периферию. Первый микроконтроллер появился в 1971 году и с тех пор их производство во много раз превышает производство процессоров, а потребность в них увеличивается.

Каждый микроконтроллер имеет свою собственную архитектуру, которая представляет из себя конкретный набор решений и средств отступить от которых никак не получится. Разработчики, используя определенный набор команд могут взаимодействовать с окружающей средой, считывая данные как с цифровых, так и с аналоговых входов и отправлять сигналы различным устройствам используя выходы.

Программируемые интегральные логические схемы (сокращенно – ПЛИС) используются для создания цифровых интегральных схем. Главное отличие таких схем состоит в том, что они не имеют собственной архитектуры, логика их работы определяется посредством программирования, то есть разработчик, используя базовые логические элементы сам создает архитектуру. Это позволяет, не меняя сам чип создать целый ряд различных проектов. Единственное чем ограничен разработчик, это количество программируемых блоков, число которых зависит от модели схемы. Также преимуществом ПЛИС является возможность параллельной работы программируемых блоков, тогда как микроконтроллер может выполнять задачи только последовательно.

Отдельное преимущество ПЛИС состоит в том, что, изучив один язык описания аппаратуры (HDL) Verilog можно программировать любой ПЛИС линейки одного производителя. Модули в языке Verilog значительно упрощают разработку цифровых микросхем, разработанный и отлаженный модуль будет работать правильно независимо от проекта в целом. Удобство данных модулей также выражается в их заимствовании. Можно взять чужой модуль, чтобы применить его в своем проекте.

Структура ПЛИС основана на булевой алгебре и содержит в себе логические элементы: коньюнкторы, дизъюнкторы, инверторы, буферные элементы с прямыми, инверсными и тристабильными выходами, исключающее «ИЛИ», триггеры D- и T-типа, мультиплексоры. Так как любая логическая функция может быть представлена в виде суммы произведений – дизъюнктивной нормальной формы (ДНФ), базовыми структурными компонентами ПЛИС являются матрицы элементов «И» и «ИЛИ».

На данный момент существует две актуальные архитектуры ПЛИС:

1) Complex Programmable Logic Device (CPLD) или Программируемая Логическая Интегральная Микросхема это и есть ПЛИС в классическом ее понимании. Содержит в себе встроенную энергонезависимую память, которая хранит в себе прошивку. Строятся данные виды схем в основном на логических блоках или матрице макроячеек. Содержат сравнительно небольшое число элементов от 100 до 1000 штук. Данный вид ПЛИС выполняет не сложные задачи и используется там, где не требуется сложная логика, но необходима скорость и большое количество выводов, а благодаря своей относительной простоте они являются достаточно дешевыми в производстве.

CPLD часто используется для расширения количества портов входа/выхода для других устройств или для создания моста между различными интерфейсами. ПЛИС также можно использовать для мониторинга других устройств или управления последовательностью включения различных источников питания.

2) Field-Programmable Gate Array (FPGA) или Программируемая Пользователем Вентильная Матрица — это более сложные и развитые устройства в сравнении с CPLD. Они содержат блоки умножения-суммирования, которые применяются при обработке сигналов, а также логические элементы и их блоки коммутации. FPGA обычно используется для обработки сигналов, имеют большее количество логических элементов и более гибкую архитектуру, чем CPLD. Прошивка для FPGA хранится в распределённой памяти, которая может быть выполнена как на основе энергозависимых ячеек – в этом случае программа не сохраняется при исчезновении электропитания микросхемы, так и на основе энергонезависимых ячеек flash-памяти – 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. Также в FPGA помимо простейших элементов могут содержаться готовые блоки для выполнения каких-либо операций, это позволяет реализовывать более сложные устройства.

Благодаря своей логической емкости и производительности матриц FPGA нашли свое применение в устройствах в которых производится обработка сигналов и векторные или матричные вычисления, а именно в радиолокационных установках, системах радиотехнической разведки, системы обработки изображений и обработке сигналов. Главным критерием в такого рода устройствах является быстродействие. Матрицы FPGA благодаря своей способности выполнять большие параллельные вычисления работая при этом на невысоких тактовых частотах и потребляя при этом меньше энергии обходит своих конкурентов в производительности.

В статье были рассмотрены основные принципы использования ПЛИС в современных цифровых системах, а также их преимущества и недостатки. Таким образом, можно сделать следующее заключение: на данный момент ПЛИС является удобным и гибким инструментом для реализации параллельных независимых друг от друга вычислений в одном устройстве. В зависимости от вида ПЛИС, их можно использовать как в простых устройствах, так и для сложнейших устройств с высоким требованием к производительности.

Список литературы:

1. ПЛИС. Заметки начинающего. — Текст: электронный // easyelectronics: [сайт]. — URL: http://we.easyelectronics.ru/blog/plis/1540.html (дата обращения: 09.06.2020).
2. Сделай шаг к плис. — Текст: электронный // bumotors: [сайт]. — URL: https://bumotors.ru/programmy-dlya-programmirovaniya-plis-sdelai-shag-k-plis.html (дата обращения: 09.06.2020).
3. Что такое ПЛИС простым языком для начинающих. — Текст: электронный // Электрик Инфо: [сайт]. — URL: http://electrik.info/microcontroller/1501-chto-takoe-plis-prostym-yazykom-dlya-nachinayuschih.html (дата обращения: 09.06.2020).