Программаланатын логикалық интегралды схемаларды программалау және конфигурациялау

Н. Ұзаққызы

Программаланатын логикалық интегралды схемаларды программалау және конфигурациялау

Белгілі бір әрекетті орындау мақсатында микросхеманы программалау үшін оған жүктелетін файлдар конфигурациялық немесе биттік файлдар деп аталады.

Егер микросхема өзінің конфигурациясы үшін статикалық ОЗУ ұяшықтарын қолданса, онда конфигурациялық файл құрамында программаланатын логика және конфигурациялық командалар элементтерінің күйін анықтайтын конфигурациялық деректерді немесе биттерді қамтиды, яғни құрылғыға не істеу керектігін айтатын нұсқаулар. Конфигурациялық файлды ақпарат тасымалдайтын құрылғыға жүктеуде конфигурациялық екілік ағын деп атайды.

ЭСППЗУ және Flash жады негізіндегі құрылғыға конфигурациялық файлды жүктеу іспетті жүргізіледі. Тек мұндағы конфигурациялық деректер қосылыстарды өсіру үшін қажет.

Программаланатын құрылғылардың барлық мүмкіндіктері арнайы конфигурациялық ұяшықтар көмегімен жүзеге асады. ПЛИС-дың көбісі статикалық ОЗУ ұяшықтарын қолданады.

Құрылғының ішкі қосылыстары конфигурацияда қолдануға болатын көптеген байланыс ұяшықтарын қамтиды. Бұл байланыс ұяшықтары микросхеманың кірістері мен шығыстарын және логикалық блоктарды өзара байланыстырады. 1 суретте көрсетілмеген барлық енгізу/шығару блоктары конфигурациясы белгілі бір енгізу/шығару интерфейс стандарттарына сәйкес бірнеше байланыс ұяшықтардан тұрады.

Статикалық ОЗУ ұяшықтары негізіндегі ПЛИС. Конфигурациялық статикалық ОЗУ ұяшықтарын ұзын жылжымалы регистр түрінде көрсетуге болады. Бұл статикалық ОЗУ ұяшықтарының көрсетілімі 1 суретте көрсетілген.

Осы суретте көрсетілгендей бұл регистрлік тізбектің кірісі мен шығысы сыртқы контактілері тікелей микросхемаға жалғанған деп ұйғарылған. Алайда бұл программалау тек программалау конфигурациялық порт көмегімен тізбекті жүктелу режимінде жүргізілгенде ғана мүмкін. ПЛИС-дың тізбекті жүктеу екі режимде болуы мүмкін: жетекші (master) және жетелеуші (slave).

1 суретте конфигурациялық ұяшықтар бір программаланатын тізбек ретінде көрсетілген. Конфигурациялық ұяшықтар саны бірнеше миллиондаған болуы мүмкін. Бұл тізбек өте ұзақ болуы мүмкін. Кейбір микросхемаларда тізбек бөліктерге бөлінеді. Мұндай шешім құрылғының бөлек бөліктерін конфигурациялауға мүмкіндік береді.

Айтылып кетілгендей, программаланатын логикалық блоктар регистрлері олардың бастапқы мәні сақталған (логикалық 0 және 1) конфигурациялық ұяшықтармен байланысқан [1].

көрсету

Құрылғы конфигурациясы режимін орнатуда қолданылатын шығыстарды қарастырайық. Бірінші ПЛИС-да осындай мақсаттар үшін конфигурацияның төрт режимін орнататын тек екі шығыс қолданылатын (1 кестені қара).

Режим орнату шығыстары, әдетте 0 немесе 1 логикалық мәндерге қосылады. Бұл шығыстар программалау режимін өзгерте алатын басқа логикалық құрылғыларға қосыла алады. Бірақ мұндай схемалар өмірде өте сирек кездеседі.

Режимді орнату шығыстарынан басқа конфигурациялау үрдісінің басталуы туралы ақпаратты беретін қосымша шығыс, конфигурациялау үрдісінің аяқталуын білдіретін сигналдары шығаратын шығыс қолданылады. Сонымен қатар, конфигурация барысында пайда болатын қателерді орнату сигналдары бар.

Конфигурациялық порт микросхеманың қосымша шығыстарын деректерді жүктеу мен енгізуді басқару үшін қолданады. Бұл шығыстар саны конфигурация режиміне байланысты.

Бұл режимде ПЛИС тізбекті адресациялы сыртқы жадыны қажет етпейді. Мұндай режимде қарапайым қайтадан іске қосу сигнал импульстары қолданылады, сосын конфигурациялық деректерді жадыдан шығару үшін синхроимпульс тізбегі іске асады.

Қажет болған жағдайда ПЛИС шығыс сигналы құрылғының конфигурациялық деректерін оқу үшін қолдануға болады. Мұндай әдіс бір платада бірнеше ПЛИС микросхемаларын қолданғанда жүзега асады (сурет 3).

FPGA микросхемаларын тізбектей қосу

Сурет 3
3-ші суреттегі схемада тізбектегі бірінші ПЛИС жетекші (master) болып тізбекті режимде конфигурацияланады. Бұл тізбектегі барлық қалған ПЛИС тізбекті режимде жетелеуші болады.

Басқару сигналадарын қамтамасыз етуден басқа ПЛИС сыртқы жадыға келесі тактіде жүктелетін конфигурациялық деректерді нұсқау үшін адрес сигналдарын ұйымдастырады (сурет 4).

Параллельді жүктеудің мұндай әдісі алдындағы тізбектей жүктеумен салыстырғанда жылдамдығы жоғары сияқты. Алайда, шын мәнінде олай емес. Бірінші микросхемаларда деректер байты оқылған мезеттен бастап жылжымалы регистр бойымен қозғала береді. Бірақ бұл жайт соңғы құрылғыларда жөндетілді [3, 408].

Шын мәнінде бұл микросхемалардың белгілігі – конфигурациялық деректердің жетекші режимінде тізбекті жүктелуі үшін арнайы жады құрылғылары өте қымбат болған. Бұлармен салыстырғанда параллельді әдіс құрылғыларының бағасы едәуір төмен.

Қазіргі кезде ПЛИС-мен бірге қолданылатын арнайы жады құрылғылары салыстырмалы арзан және Flash-технологиясы бойынша құрылады, яғни бірнеше рет қолданылады. Соңғы ПЛИС параллельді жүктеудің соңғы әдістерін қолданады. Осы жағдайларда сыртқы жады сыртқы адресацияны қажет етпейтін арнайы құрылғы болып келеді, яғни ПЛИС-ға ішкі есепшіні қажет етпейді (сурет 5).

Алайда көптеген баспа платаларында әр түрлі ішкі есептерді шешуге арналған микропроцессорлар бар. Мұндай жағдайда инженерлер микропроцессорларды конфигурациялық деректерді ПЛИС-на енгізу үшін қолданады. Бұл жағдайдың көрнекі түрі 6-ші суретте көрсетілген [5].

Осындай әдістің көптеген артықшылықтары бар. Соның бірі – микропроцессор көрші жүйеге қатысты құрылғыны сұрау үшін қолданылады, яғни конфигурациялық деректерді белгілі бір белгісі бойынша жүктеуге болады.

Бұл әдістің ең басты артықшылығы – ПЛИС- да шығыстар санынан аз шығысты қажет етеді. Басқа сөзбен айтқанда, конфигурация үрдісі кезінде микропроцессордың деректер шинасына қосымша өткізгіш көмегімен жалғанатын тек бір енгізу/шығару контактісі қолданылады [6, 320].

Бұл порттың маңызды идеясына тоқталып кетейік. ПЛИС-дың белгілі бір мөлшерде шығыс контактілері бар. Мұндағы осы шығыстардың бірі деректерді енгізу үшін, екіншісі шығару үшін, ал қалғандары JTAG-регистрлерімен немесе триггерлерімен тізбектей жалғанған байланыстары үшін қолданылады (сурет 7).

JTAG құрылғы әр түрлі қосымша басқарушы логиканы қамтиды. ПЛИС жағдайында JTAG-порт тізбекті сканирлеуден басқа операцияларды орындайды. Мысалы, арнайы командалық JTAG-регистрлеріне жүктелетін арнайы командаларды JTAG-порттың кірісі арқылы беруге болады. Осындай командалардың бірі ПЛИС-дың өзінің ішкі конфигурациялық регистрін JTAG-порт тізбегіне қосылуын нұсқайды. Бұл жағдайда JTAG-порт ПЛИС программалау үшін қолданады. Сонымен, қазіргі кездегі ПЛИС программалаудың бес әр түрлі режимінін қолдайды. Демек, олардың қайсысы қолданатынын анықтау үшін үш шығыс қажет болады (2 кестеде көрсетілген) [8, 576]

JTAG-порт әрқашан да қол жетімді, яғни құрылғы ең алдымен стандартты конфигурациялық режимдерді қолдана отырып, дағдылы конфигурациялық порт арқылы конфигурациялана алады, сосын, егер қажет болса JTAG-порт арқылы реконфигурацияланады. Сонымен қатар құрылғы JTAG-порт арқылы ғана да программалана алады.

Егер ПЛИС-ның тек бір кірістірілген процессоры болса, онда бұл жағдайда ПЛИС тек бір сыртқы JTAG-портын қамтиды. Қажет болған жағдайда осы порт арқылы JTAG-тізбегіне нұсқау беретін командаларды енгізе аламыз.

Осы ойдың негізгі идеясы: JTAG-порт ішкі микропроцессорлық ядро және белгілі бір қалыпқа дейін онымен байланысқан перифирияны иницализациясы үшін қолданылуы мүмкін. Осыдан кейін процессор конфигурациялық деректердің негізгі бөлігін өз бетінше жүктейді. Кейбір жағдайларда процессорлық ядро сыртқы ортаға сұраныс жіберу үшін және ПЛИС-на жүктеуге арналған конфигурациялық деректерді таңдауға да қолданыла алады [7, 126].

Осы мақаланы қорытындылай келе ПЛИС-дің қазіргі кездегі қарқынды дамып келе жатқан салалардың бірі екендігін көруге болады, себебі оларға деген сұраныс артуда. ПЛИС көптеген интерфейстті түйіндерді құруда, басқару және бақылау құралдарын жасауда және т.б. салаларда қолданыс табады. Егер осыдан 15 жыл бұрын ПЛИС электронды компоненттер нарығында төменгі деңгейлерде болса, ал қазір тіптен басқаша. Расында да ПЛИС болашағы зор екенін байқау қиын емес.

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.
   

Узаккызы Н.

Программирование и конфигурирование программируемых логических интегральных схем

В этой статье рассмотрены технологии программирования и конфигурирования программируемых логических интегральных схем.

Uzakkizi n.

Programming and configuration of field programmable gate arrays

In this article technologies of programming and a configuration of field programmable gate arrays are considered

жүктеу/скачать 107.81 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: