Плис және арнайы микросхемалар негізіндегі жүйелерді жобалаудың әр түрлі әдістері

Н. Ұзаққызы

ПЛИС және арнайы микросхемалар негізіндегі жүйелерді жобалаудың әр түрлі әдістері

Электрондық құрылғыларды құрудағы жобалау әдістері, соның ішінде схемотехникалық жобалау мен аппараттық құралдарды сипаттау тілдері негізінде жобалау.

Ал ПЛИС-жүйелерінің құрастырушылары нақты ұяшықтармен жасағанды жөн көреді. Егер ПЛИС-жүйелер құрастырушыларын бірдеме қанағаттандырмаса, мысалы синтез жұмысының нәтижелері ұнамаса, ол қолмен өзінің элементін программалқ кодқа қоса салады. Яғни ПЛИС-инженерлері белгілі бір жұмыс нәтижелерінен соң ғана программалау тіліне жүгінеді.

Мұнай жағдайларда бірінші деректер сөзіне қатысты нәтижені сақтамас бұрын екіншісін жіберуге ынта жоқ. Яғни әрбір деректер сөзін өңдеу үшін өте көп уақыт қажет. Яғни уақыттың негізгі бөлігін жүйе жұмыссыз тұрады. Бұл мәселені шешу үшін комбинациялық логиканы регистлік блоктармен кезектесіп, конвейерлік өңдеу әдісін қолданамыз (сурет 2).

Сурет 2
Барлық регистрлер ортақ тактілік сигнал арқылы синхронизацияланады. Әрбір синхроимпульс келген сайын алдыңғы блок нәтижесі логикалық блок шығыстарын қосылған регистрлерге жүктеледі. Бұл нәтиже осы логикалық блок арқылы келесі регистрге жүктелуіне дайын болатын оның шығыстарына беріледі.

Конвейер толық толтырылғаннан кейін, осындай схемада әрбір жаңа деректер сөзін әрбір Y наносекунд сайын келіп түседі.

Логикалық деңгейлер. Осы айтылғандардың барлығы инженерлерге белгілі бір балансты орындау қажеттігін білдіреді. Комбинациялық логиканы кішігірім блоктарға бөлу мен регистр санының көбеюі құрылғының жұмыс өнімділігін арттырып, бірақ микросхема ресурстарын тұтынуын, сонымен қатар, кристалда орынды көбейтеді. Бұл кідірістің немесе латенттілігінің көбеюіне әкеледі [3, 408].

Логикалық деңгейлер концепциясын, яғни логикалық блоктың кірісі мен шығысы арасындағы логикалық элементтер санын қарастырайық. Мысалы, 3-шы суретте 3 логикалық деңгей көрсетілген, себебі сигнал шығысға шейін жеткенше 3 логикалық элементтен өтеді.

Арнайы микросхемаларды қолданғанда логикалық элементтер 3 суретте көрсетілгендей бір-біріне жақын орналасуы мүмкін, яғни өткізгіште олардың арасындағы кідіріс минималды болады. Демек, егер құрылғы рұқсат берсе, онда арнайы тапсырыс құраушылары кішкене болса да еркіндікте болады. Алайда бұл еркіндік көпке бармайды, мысалы, сигнал 15 логикалық деңгейден өтетін болсын. Онда кідіріс байқалмай қоймайды.

Осы құрылғыны әрбір логикалық вентиль бөлек сәйкестік кестелері (LUT) арқылы жасалған ПЛИС-да жүзеге асыратын болсақ, онда сигналдың қозғалу жылдамдығы тасбақаныкімен бірдей, себебі ПЛИС құрылғыларында арнайы тапсырысты микросхемаларға қарағанда кідірісі жоғары. Бірақ тәжірибеде сәйкесітк кестесі бірнеше логикалық блоктарды қамтуы мүмкін. Бұл мәселенің шешімі: ПЛИС-дың әрбір ұяшығы сәйкестік кестесі мен регистрдан тұрады (сурет 3).

Сурет 3
Асинхронды жобалау әдісі. Кейбір есептерді шешуде құрастырушылар өз жобаларына сигналдар таралуының салыстырмалы кідірісіне сүйене отырып, асинхронды элементтерді қосады. Бұл әдіс ПЛИС-а орындалмайды.

Кейбір ПЛИС өзінің синхронизация ағаштарын бөлуге мүмкіндігі бар. Егер мұндай мүмкіндік бар болатын болса, синхронизация сегменттерін анықтау және оларды сыртқы, ішкі тактілік сигналдарға бөлу қажет.

Шынын айтсақ, онда синхронизация жүйелеріне байланысты көптеген мәселе бар. Мысалы: тактілік сигналдарды түзету, тактілік сигналдарға рұқсат беру, әртүрлі синхронизация зоналары арқылы өткендегі деректердің берілу шынайылығы, орнату және түсіру (установка и сброс) кірістері бар триггерлер, жалпы түсірім мен бастапқы күй және т.б. Бұл магистрлік жұмыста осы мәселелер қарастырылмаған. Бірақ жұмыстың соңында келтірілген әдебиеттерден барлық қызықтыратын ақпаратты алуға болады [1].

Осы бөлімнің соңында тағы да бірнеше маңызды мағлұматты айтып кетейін.

Ресурстарды бөлу, сонымен қатар, уақыт бойынша бөлу, таралу немес уақыт бойынша мультиплекстеу деп те атайды. ПЛИС-да ресурс саны ASIC жүйелеріне қарағанда аз, сондықтан ПЛИС инженерлері ресурстарды бөлуді ұйымдастыру үшін көбірек күш салу керек.

Алайда қазіргі кезде шекті автоматтар ПЛИС-да қолданылып жүр. ПЛИС-ның әрбір сәйкестік кестесі триггермен қамтамасыз етілетіні бізге мәлім, яғни құрылғыда күтімде тұратын және іс-әрекетті орындауға дайын белгілі бір мөлшерде триггерлер бар деген сөз. Демек, көп жағдайда шекті автоматтарды құруда кодтаудың тіке схемасы жақсырақ болып келеді.

Ал арнайы микросхемаларды қолданатын инженерлер JTAG-ұяшықтарын қалыптастыруға, тізбекті сканирлеуге және өзінің конструкциясын тексеруге көп күшін жұмсайды. Арнайы тапсырыспен жасалған микросхемаларға қарағанда ПЛИС-дың тізбекті сканирлеу құралдары өндіріс барысында жабдықтаушымен енгізіледі.

Схемотехникалық жобалау. Алдымен сандық микросхемаларды жобалаудың ертедегі, яғни 60 жылдардағы түрлеріне тоқталып кетейік.

Әрбір инженерлер тобында бір логикалық элементтер тобын екіншісімен ауыстыруға мәжбүрлейтін логикалық минимизация функцияларын жақсы орындайтын кем дегенде бір адам табылатын.

Конструкцияның жұмыс істеу дұрыстығы инженерлердің өздерімен тексерілетін. Уақыт параметрлерінің верификациясы, яғни блок ішіндегі кіріс пен шығыс арасындағы кідірістердің берілген мәнге ие болуын, уақыт шектеулеріне қойылатын талаптарының дұрыстығын қарындаш пен қағаз көмегімен тексеретін. Мұнда кейбіреулерінде механикалық немесе электромеханикалық калькулятор болатын.

Сонан соң логикалық вентильдерді қалыптастыратын элементерді, яғни транзисторлар мен олардың арасындағы байланыстарды көрсететін сызбалар жасалынатын. Бұл схемалар кремнийлік кристалды жасағанда пайдалынатын фотошаблонды жасау үшін қажет болған.

Осындай схеманың жұмыс істеу принципін дұрыс түсіну үшін 4 суретте көрсетілген схамға назар аударайық [2].

Логикалық модельдеуді орындау үшін, ең бірінші, инженерлерге сызбаның вентильдер қосылыстарының кестесі деп аталатын (gate-level netlist) мәтіндік сипатын жасау керек болды. Қазіргі дербес компьютерлердің шығуынан бұл мәтіндік сипат белгілі бір файлға жазылатын болды (сурет 5).

Сонымен қатар, әрбір вентильге сигнал таралуының белгілі бір кідірісін айқындау мүмкіндігі болды.

5 суретте көрсетілген қарапайым форма тек мысал үшін ғана келтірілген. Бұл файл сол заманғы рухқа сай болып келеді.

Бірінші модельдеу жүйелері тек И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ және т.б. сияқты примитивті, қарапайым вентильдерді қамтитын. Мұндай құралдарды қарапайым модельдеу жүйелері деп атаған. Уақыт өте келе жүйелер күрделірек функцияларды сипаттауға мүмкін болды.

Келесі қадамда қолданушылар логикалық 0 мен 1 мәндерімен берілетін тестілік вектор жиынын құра бастады. Мұндай тестілік векторлар мәтіндік те, кестелік түрде де берілетін

Тестілік вектор мысалын төмендегі суреттен көруге болады.

Осыдан кейін инженерлер логикалық модельдеу үрдісін іске қосатын. Мұнда вентильдер қосылыстарының кестесін оқып схеманың виртуалды бейнесін компьютер жадысында құра бастады. Сонан соң модельдеу жүйелері бірінші мәтіндік вектордан оқуды бастайды, берілген мәндерді виртуалды шығыстарға орнататын. Осылайша үрдіс әрбір келесі тестілік вектор үшін орындалып, тестілік стенд жұмысы қалыптасады (сурет 6).
Тестілік векторлардың қарапайым
жиыны – мәтіндік файл

Сурет 6
Жобалаудың соңғы қадамы. Компоновка. Логикалық модельдеу сияқты жүйелер инженерлерге микросхеманың тақтада орналасу функционалдығын анықтау үшін көмектескен. Бірақ кейбір компаниялар микросхеманың ішкі түйіндерін жүйелеуге (компоновка) көмектесетін жобалау құралдарын жасауда еңбек сіңірген. Компоновка термині кристалл бетінде вентильдердің орналасуын және олардың арасындағы қосылыстарды қалай орнату қажет екендігін білдіреді.

70 жылдардың басында Calma, ComputerVision, Applicon сияқты компаниялар қолмен жасаған схемаларды сандық түрге айналдыруға мүмкіндік беретін программалар жасады. Ол үшін құрылғы сызбасы графикалық енгізудің кең сандық планшетке орналастырды. Фигура шекарасын сандық түрге келтіру тышқан тәрізді құрылғымен жүзеге асырылды. Осындай әдіспен жасалған мәтіндік файлдар кремний кристалын өніруде қолданатын фотошаблон жасауда қолданылатын.

Белгілі бір уақыт өткеннен кейін бұл бірінші компьютерлік құралдар көпбұрыштар редакторы деп аталатын интерактивті программалар деңгейіне дейін өсті. Бұл программалар компьютер экранында көпбұрыштарды салуға мүмкіндік берді.

Жобалаудың алғашқы кезеңінде, яғни схеманы сипаттау мен функционалдық бақылауда қолданатын логикалық модельдеу сияқты жобалау құралдары алғашқыда автоматты түрде құрудың (модельдеудің) жүйелері (CAE – computer-aided engineering) деп аталатын.

80 жылдардан бастап барлық электронды компоненттер мен жүйелерді автоматты жобалау жүйелері бір жалпы атауға ие болды – электронды приборлар мен құрылғыларды жобалаудың автоматтандырылған жүйелері.

ПЛИС жобалаудың қарапайым схемотехникалық әдісі. 1984 жылы бірінші ПЛИС-дың пайда болуынан бастап-ақ оларды жобалау әдістері арнайы тапсырыспен жасалған микросхемаларды жобалау әдістеріне негізделген болатын. Оларды жобалаудың алғашқы кезеңдері бірдей болатын.

Алайда айырмашылық құрылғыны жасауда басталған. Себебі ПЛИС құрылымы әрбіреуі сәйкестік кестелері мен регистрлер көмегімен қалыптасқан конфигурацияланатын логикалық блоктар (КЛБ) массивінен тұрған. Бұл жобалау үрдісіне сәйкесті және компновка деп аталатын кейбір қадамдарды қосуға алып келді.

Жобалаудың келесі кезеңдерін қолданылған әдебиеттер тізімінен ақпарат алуға болады.

Аппараттық құралдарды сипаттау тілдері негізінде жобалау. Арнайы микросхемалардың өлшемі мен күрделілігі ұлғайған сайын 80 жылдарда жобалаудың схемотехникалық әдісіне деген қызығушылық төмендей түсті. Визуализвция, енгізу, вентильдер деңгейінде құрылғыны қолдау, егер вентильдер саны 5000-нан көп болса, өте күрделі және тиімсіз етті.

Аппараттық құралдарды сипаттау тілдері негізіне салынған идея – олардың көмегімен аппараттық құралдар жұмысын сипаттауға болады. Бұл жердегі «аппараттық» деген термин кез келген электрондық жүйенің физикалық түйіндері мен компоненттерін (микросхемалар, кабельдер, бұрандалар, болттар) сипаттауға арналған. Бірақ HDL тілдері негізінде бұл термин тек электрондық түйіндереге, яғни өткізгіштер мен компоненттерге, микросхемалар мен дестелік платаға қатысты [2, 624].

Электрондық программалық жүйелерді құру барысында әрбір құрастырушы өзінің HDL тілі нұсқасын ойлап тапқан. Олардың бірі аналогты құралдарды сипаттау тілдері.

Бұл аппараттық құралдарды сипаттау HDL тілдері сандық микросхемаларды құруда қалай қолданады? Біріншіден, сандық микросхемалардың функционалдық мүмкіндіктері бірнеше абстракция деңгейлеріне бөлінетініне назар аударайық. Бұл деңгейлер әртүрлі HDL нұсқаларымен қолдау табады (8 сурет).

Сандық HDL-ң ең төмен абстракция деңгейі – схеманы транзисторлық кілттер қосылыстарымен кесте түрінде сипаттауға болатын мүмкіндігімен ерекшеленетін тразисторлық кілттер деңгейі. Одан жоғары деңгейде вентильдер деңгейі орналасқан. Бұл схеманы қарапайым логикалық вентильдер мен функциялар байланыстар кестесімен сипаттайды. Сондықтан логикалық вентильдер қосылыстарының кестесінің бірінші нұсқалары аппараттық құралдарды сипаттау тілдерінің қарапйым түрі болған [4, 320].

8 суретте көрсетілген осы екі деңгейлер құрылғыны сипаттаудың құрылымдық түріне жатқызамыз.

Келесі күрделірек деңгей – құрылғыны сипаттаудың функционалдық түрі.
Абстракция деңгейлері

Сурет 8
Осы деңгейдің ерекшелігі – булевалық өрнектерді көрсету мүмкіндігі. Функционалдық деңгей өзінде RTL регистрлік тасымалдау деңгейін қамтиды. RTL терминін дұрыс түсіну үшін құрылғыны комбинациондық логика элементтерімен байланысқан регистрлер жиынтығы ұйғару керек. Бұл регистрлер ортақ бір синхросигнал көмегімен басқарылады. Айталық, біз екі сигналды басқарайық: CLOCK және CONTROL. Сонымен қатар REGA, REGB, REGC, REGD регистрлер диынтығы болсын. Онда RTL құрамы мынадай болады:

when CLOCK rises

if CONTROL == “1”

then REGA=REGB®C;

else REGA=REGB|REGD;

end if;

Бұл жағдайда when, rises, if, then, else сөздері кілттік сөздер болып табылады. Олардың семантикасы HDL тілінің нұсқасымен анықталады. Бұл мысал HDL тілдерінің ешқайсысы қолдамайтын қарапайым синтаксиспен жай мысал үшін жазылған [3, 201].

Абстракцияның ең жоғары деңгейі – қазіргі кездегі HDL нұсқалары қолдайтын алгоритмикалық деңгей. Бұл деңгей схеманы абстракті логикалық құрылымдарды қолданып, сипаттауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бұл деңгей схеманың іс-әрекетін логикалық абстракті құрылымдар арқылы сипаттауға мүмкіндік береді.

8 суретте көрсетілмеген тағы да бір жүйелік деп аталатын абстракция деңгейі бар. Ол жобалаудың жүйелік деңгей қосымшалары үшін арналған.

1994 жылдар шамасында синтез құралдары аясында едәуір ілгері қадамдар байқала бастады. Сәйкестендірі, компоновка, орналастыру операцияларын, сонымен қатар логикалық блок кестесін қалыптастыру мен сәйкестік кестелерін жасауды өз бетінше орындауға мүмкіндігі болды. Бұл әдістің ең маңызды артықшылығы – уақыт параметрлері мен орналасу ауданын бағалау әдістерінің күшті болғандығы. Тәжірибе жүзінде ПЛИС жобалауды архитектуралық синтез әдістерімен жүргізу (вентильдер деңгейіндегі синтез құралдарына қарағанда) 15..20%-ға жылдамырақ жүрді.

Жылдар өте келе арнайы тапсырысты микросхемалар күрделілігі мен өлшемдері анағұрлым ұлғайды. Осы жағдаймен бір уақытта кремнийлік кристал құрылымдары кішірейе бастады. Бұл мынадай жағдайлардың туындауына әкелді:

1. 
   Кідірістер туғызған әсері, жалпы жағдайда күрделене түсті.
   
2. 
   Өткізгіштердегі кідірістер вентильдердегі кідірістерден асып түсті.
   

Сондықтан шамамен 1996 жылы арнайы тапсырысты микросхемаларды жобалау барысында физикалық синтез құралдарын қолдана бастады.

ПЛИС құралдарына тоқтайтын болсақ, онда олардың да өлшемдері мен күрделілігі де арта түсті. Бұлар да уақыттық сәйкестік мәселесіне тап болды. Сондықтан да 2000 жылдары электрондық құрылғыларды автоматтандырылған жобалау жабдықтаушылары да физикалық синтез құралдарын ұсынды [8, 520].

1980 жылы АҚШ-ның Қорғаныс министрлігі интеграция деңгейі жоғары өте жылдам схемалар (VHSIC – Very High Speed Integrated Circuit) бағдарламасы бойынша өз жұмысын бастады. Бұл бағдарлама сандық микросхемаларды жасаудың соңғы технологияларын жетілдіруді көздеді.

Сол кезде туындаған біршама мәселені шешу үшін 1981 жылы жаңа аппараттық құралдарды сипаттау тілі – VHDL тілі жасалынды.

VHDL (ағылш. VHSIC (Very high speed integrated circuits) Hardware Description Language) — интегралды микросхемалар аппаратурасын сипаттау тілі. VHDL тілі қазіргі кездегі еспетеу жүйелерінің аппаратурасын жасау барысында негізгі тіл болып табылады.

Бірінші кездерде бұл тіл модельдеу үшін арналған, бірақ кейінірек синтез үшін де жарамды болды. VHDL құралдарымен әр түрлі абстракция деңгейлерінде (құрылымдық, регистрлік тасымалдау, алгоритмикалық) жобалау мүмкіндігін береді. Иерархиялық жобалау мүмкіндігі де бар. Осы тілдің үш құрама бөлігін бөліп көрсетуге болады: алгоритмикалық - Ada және Pascal тілдеріне негізделген, бұл VHDL тіліне программалау тілдері қасиеттерін береді; мәселелік бақытталған – аппаратураны сипаттау тілі қасиетін беретін болмысы; объектілі-бағытталған – қазіргі уақытта қарқынды дамуда [6, 576].

VHDL тілінің стандарттары: 1987, 1991, 1993, 1996, 1997, 1999, 2000 және 2002 жж.

VHDL сандық микросхемаларды сипаттау үшін құрылған, бірақ оның аналогты және сандық-аналогты схемаларды сипаттауға арналған VHDL AMS (Analog Mixed Signal) түрі де бар [7, 252].

Сандық жүйе іс-әрекет (алгоритмикалық) және құрылымдық деңгейлерде жүзеге асуы мүмкін.

Құрылымдық сипаттау- бұл жүйені компоненталар жиынтығы ретінде бейнелеу.

Іс-әрекеттік сипаттау – бұл жүйені белгілі бір процедуралармен сипаттау, яғни шығыстардың кірістерге тәуелділігі. Басқаша айтқанда, іс-әрекеттік сипаттау жүйе орындайтын алгоритмді сипаттайды [10, 328].

Сандық жүйе микропроцессор сияқты күрделі, немесе бірнеше логикалық вентильдерден тұратын жүйе сияқты қарапайым болуы мүмкін.

Негізінен, VHDL-дан басқа аппаратураны сипаттау тілдері қазір көп. Олардың кең тарағандары: Verilog, SystemC, AHDL, Superlog, SystemVerilog6 UDL/I, VITAL.

ӘДЕБИЕТТЕР

1. 
   Палташев Т.Т. Введение в проблему разработки и производства СБИС//Статья 2009 ж.
   
2. 
   Палташев Т.Т., Матвеев М. Иерархия памяти в современных макропроцессорах. 2010 г. С. 36-52.
   
3. 
   Максфилд К. Проектирование на ПЛИС. Курс молодого бойца. – М. Издательский дом «Додека-XXI», 2007. – 408 с.
   
4. 
   Зотов В.Ю. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР WebPACk ISE. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 624 с.
   
5. 
   Уэйкерли Дж.Ф. Проектирование цифровых устройств. Том 1,2. – М.: Постмаркет, 2002
   
6. 
   Морелос-Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение. - М.: Техносфера, 2006. – 320 с.
   
7. 
   Золотарёв В.В., Овечкин Г.В. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы: Справочник/Под. ред. чл.-кор. РАН Ю.Б. Зубарева. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004. – 126 с.: ил.
   
8. 
   Суворова Е.А., Шейнин Ю.Е. Проектирование цифровых систем на VHDL. – СПб.: БХВ-Петербург, 2003. – 576 с.: ил.
   
9. 
   Тарасов И.Е. Разработка цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx с применением языка VHDL. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005. – 252 с.: ил.
   
10. 
    Зотов В.Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 520 с., ил.
    
11. 
    Комолов Д.А., Мяльк Р.А., Зобенко А.А., Филиппов А.С. Системы автоматизированного проектирования фирмы Altera MAX+plus II и Quartus II. Краткое описание и самоучитель. – М.: ИП РадиоСофт, 2002 – 352 с.:ил.
    
12. 
    Бибило П.Н. Основы языка VHDL. - М.: Издательство ЛКИ, 2007. – 328 с.
    

Узаккызы Н.

Разные методы проектирования систем на основе специальных микросхем и плис

В этой статье рассмотрены разные методы проектирования систем на основе специальных микросхем и Плис, то есть, методы проектирования на языке описания схемотехнического проектирования и информационных средств.

Uzakkizi N.

Different methods of designing of systems on the basis of special microcircuits and fpga

Different methods of designing of systems on the basis of special microcircuits and FPGA, that is, methods of designing in language of decryption of schematic design and technology tools are designed in this article.

жүктеу/скачать 170.81 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: