ПРОГРАММНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ ДЛЯ ПЛИС

АННОТАЦИЯ

В статье автор делает обзор программных процессоры, используемых в ПЛИС.

Ключевые слова: программный процессор, FPGA, CPLD, ПЛИС.

В наше время большое количество ПЛИС, микроЭВМ и микропроцессоров используется в электронике. Чаще всего для различных разработок используют процессоры с жесткой логикой, но для получения новых возможностей необходимо использовать программные процессоры. Данные процессоры вместе с цифровой аппаратной логикой используют в цифровой аппаратуре, которая разрабатывается как «система на кристалле», это экономически выгодно, а сам процесс проектирования становится в разы проще.

Система на кристалле (СнК) или однокристальная система – это электронная схема, выполняющая функции цельного устройства и размещенная на одной интегральной схеме. Такие системы могут оперировать различными сигналами: цифровыми, аналоговыми, аналого-цифровыми, а также частотами радиодиапазона. Зачастую однокристальные системы применяют в портативных и встраиваемых системах.

Программный процессор (soft-процессор) представляет из себя микропроцессорное ядро, которое может быть создано используя только логический синтез. Эти процессоры реализуются с использованием различных полупроводниковых устройств, которые содержат в себе программируемую логику. Большинство таких систем использует только один программный процессор, но максимальное число ядер ограничивается только ресурсами конкретно используемой ПЛИС. Одним из самых распространенных процессоров являются два ядра от фирмы Xilinx: PicoBlase и MicroBlaze.

MicroBlaze – soft-процессорное ядро которое было разработано для использования в FPGA компанией Xilinx, он реализуется с помощью блоков памяти ПЛИС и стандартной логики. Имея универсальные средства связи с перифирией это ядро обеспечивает возможность применять его в разнообразных встроенных приложениях.

У MicroBlaze доступно для конфигурирования различные параметры: размер кэша, длина конвейера, встроенная периферия, шинные интерфейсы, блок управления памятью и так далее (всего для конфигурирования доступно более 60 различных параметров). Редко используемые команды процессора, которые дорого воспроизводить, могут быть удалены или наоборот добавлены (например – блоки умножения и деления для операций с плавающей точкой). Данный набор набор настроек позволяет разработчику позволяет собрать проект под определенные задачи, исключив не используемые элементы.

Некоторые операционные системы с упрощенной защитой и виртуальной памятью, могут работать на MicroBlaze без блока управления памятью. С блоком управления памятью возможна работа операционных систем, которые требуют аппаратной поддержки страничной организации памяти и защиты.

PicoBlaze – свободно распространяемые процессорные ядра, созданные фирмой Xilinx для своих ПЛИС (FPGA и CPLD). В основе данного процессора заложена архитектура 8-битного RISC-процессора. Он имеет 8-битные порты данных и адреса, которые обеспечивают доступ к различной периферии.

Одним из открытых процессорных ядер, получивших широкое распространение является LEON, созданный на базе архитектуры SPARC V8. Он имеет 32-разрядный процессор и позволяет синтезировать VHDL модель, а также легко конфигурируется и отлично подходит для такой конструкции как «система на кристалле». LEON изначально создавался как открытый, переносимый и непроприетарный процессор, который совместим с существующим ПО и имел бы невысокую стоимость.  LEON поддерживает такие операционные системы как RTlinux, LynxOS, eCos, Embox и другие. Данный процессор разрабатывался Европейским космическим агенством (ЕКА), затем разработкой занялась компания Gaisler Research.

Первым установившим набор спецификаций для семейства 32- и 64-разрядных RISC/DSP процессоров является OpenRISC. Открытая и модульная архитектура этого процессорного ядра позволяет расширить спектр использования кристалла. OpenRISC был разработан с упором на производительность, универсальность реализации, простоту и низкую потребляемую мощность.

Еще одним микропроцессором с открытым кодом является OpenSPARC. Данный проект разрабатывается корпорацией Sun Microsystems. В открытом доступе хранятся исходные коды двух моделей процессоров: OpenSPARC T1 и OpenSPARC T2. Они написаны на языке Verilog. OpenSPARC T1 является 64-разрядным, 32-поточным микропроцессором, который в полной конфигурации состоит из 8 ядер с 4 потоками на каждом ядре. Исполнение инструкций производится в порядке считывания, а логическое исполнение разбито на 6 стадий конвейера.

В статье были рассмотрены различные модели soft-процессоров, которые на данный момент представлены на рынке. Можно сделать вывод, что в настоящее время существует большой выбор программных процессоров с открытым кодом. Производители так же предоставляют и коммерческие программы для своих изделий. Такие коммерческие варианты программных процессорных ядер распространяются с ПО фирмы производителя конкретной ПЛИС.

Список литературы:

1. Вавилин А.И., Бурмистров А.В. ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ ПРОЦЕССОРОВ ДЛЯ ПЛИС ФИРМЫ XILINX // Успехи современного естествознания. – 2011. – № 7. – С. 85-86; URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=27053 (дата обращения: 19.12.2020).