Программируемые логические устройства fpga. Как начать работать с программируемыми логическими интегральными схемами (плис)

В ПЛИС для конфигурации используется оперативная память CRAM (Configuration RAM). Эта память распределена по всему кристаллу, значения, записанные в нее, управляют внутренним коммутационным полем, определяя структуру синтезируемого цифрового устройства. Как правило, в ПЛИС архитектуры FPGA эта память энергозависимая и при подаче питания на устройство требуется загрузить в нее значения из какого-либо внешнего (по отношению к кристаллу ПЛИС) носителя, часто для этих целей используется микросхема ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство), либо , а в случае стенда LESO2, загрузка осуществляется из компьютера.

Одной из важнейших характеристик ПЛИС является ее логическая емкость. Емкость определяет насколько сложные цифровые устройства можно синтезировать. Другими словами, логическая емкость показывает сколько всего поместится в кристалле. Если вам уже доводилось компилировать в Quartus II проект для ПЛИС, то должны были обратить внимание на итоговый отчет, где указывается какие ресурсы и в каком количестве использованы в проекте, а также указывается процентное соотношение от максимального. Основной ресурс ПЛИС – это логические элементы (Logic Elements). В ПЛИС EP4CE6E22C8, а именно такая использована в учебном стенде, таких элементов 6272. Это много или мало? Для того, чтобы ответить на это вопрос, следует рассмотреть, что же из себя представляет этот логический элемент.

Базовый логический элемент

Из булевой алгебры известно, что используя некий элементный базис, например элемент И-НЕ или ИЛИ-НЕ, можно реализовать любую логическую функцию. Однако использование лишь одного типа элемента не всегда оправдано технически, при синтезе сложных устройств большое количество элементов увеличит время прохождения сигнала и тем самым снизит быстродействие. Поэтому в ПЛИС структуры FPGA в качестве простейшего логического элемента используют более сложную структуру, представляющей собой соединение программируемого комбинационного устройства и D-триггера . На рисунке 1 показана упрощенная структура такого элемента.

Рисунок 1 – Обобщенная структура логического элемента (LE) ПЛИС

Ячейка имеет три логических входа DATAA, DATAB и DATAC, вход тактовых импульсов CLK и один выход LEOUT. В случае если от ячейки требуется работа в качестве только комбинационного устройства, то выходной мультиплексор коммутирует выход элемента LUT на выход всей ячейки, если выход должен быть регистровым, то сигнал с LUT защелкивается по сигналу синхронизации в D-триггер, выход которого через мультиплексор соединяется с LEOUT. Управляющий вход мультиплексора (на рисунке не показан) подключен к соответствующему биту конфигурационной памяти CRAM.

Если ни у кого не вызывает вопросов как работает триггер и мультиплексор , то с элементом, обозначенным на схеме как LUT , все несколько сложнее. Аббревиатура LUT расшифровывается как Look-Up Table или просто Lookup Table, что дословно можно перевести как "справочная таблица" или "таблица поиска". LUT – это больше, чем таблица, LUT – это скорее метод реализации функции, в котором непосредственное вычисление заменяется поиском по таблице готовых решений. Применительно к ПЛИС это позволяет реализовать любую логическую функцию в виде памяти SRAM, где адрес – это аргумент, а содержимое ячейки – значение. Таким образом, для того, чтобы описать логическую функцию трех переменных (в приведенном примере именно три переменные: DATAA, DATAB и DATAC) достаточно памяти на 8 ячеек. Требуемая таблица истинности хранится в виде маски (LUT-mask) в соответствущей ячейке CRAM. С помощью мультиплексоров выбирается нужное значение. Мультиплексорами управляют сигналы входных портов для построения k-входовой LUT (k-LUT), которая реализует любую логическую функцию из k переменных, требуется 2 k бит SRAM и 2 k-1 мультиплексоров. На рисунке ниже показана трехвходовая LUT.

Рисунок 2 – Устройство LUT

При таком подходе можно достаточно точно спрогнозировать время прохождения сигнала и оно не будет зависеть от реализуемой логической функции. Эта важная особенность делает возможным временной анализ схемы.

Хорошо! Используя логический элемент, показанный на рисунке 1, можно получить любую логическую функцию трех переменных и ее регистровый вариант. А как быть, если нам понадобится реализовать какой-либо триггер, отличный от D-триггера? Для реализации некоторых типов достаточно имеющегося комбинационного устройства (LUT) на входе D-триггера, но для реализации всех известных триггеров нам все же придется внести некоторые изменения в базовую схему. Во-первых, необходимо ввести обратную связь: для этого с выхода D-триггера подадим сигнал на один из входов LUT. Для того, чтобы достигнутый ранее функционал не пострадал, мы не имеем право занимать уже имеющиеся входа, заменим LUT на 4-х входовый. Во-вторых, увеличим функциональность самого D-триггера, добавим дополнительные линии управления: вход разрешения ENA (от английского "Enable" – "Включить") и вход асинхронного сброса ACLR (от английского "Asynchronous Clear" – "Асинхронная Очистка"). В результате получим схему пригодную для синтеза любых триггеров:

Рисунок 3 – Структура логического элемента (LE) с обратной связью

Существует особый широко распространенный класс логических функций, который подразумевает наличие двух выводов. Речь идет о сумматорах. На вход полного двоичного сумматора поступает два операнда и флаг переноса из младшего разряда, а на выходе сумма и перенос в следующий двоичный разряд. Так как арифметические задачи типичны для ПЛИС, для работы с переносом в базовом логическом элементе предусмотрен специальный канал.

Рисунок 4 – Структура логического элемента (LE) с каналом переноса

Фактически для переноса требуется ввести дополнительную LUT, как показано на рисунке 4, но для простоты восприятия комбинацию LUT будем рассматривать как один целый модуль.

Используя канал переноса, легко объединить ячейки для получения многоразрядного сумматора. На рисунке 5 показана схема 4-разрядного сумматора с последовательным переносом, построенная на четырех базовых логических элементах.

Рисунок 5 – Четырехразрядный сумматор

При разработке базовой логической ячейки решались две задачи: во-первых, синтезируемые устройства должны обладать максимальным быстродействием, во-вторых, использование ресурсов должно быть как можно более полным. В предыдущем примере, если требуется работа сумматора исключительно как комбинационной схемы, выходные мультиплексоры сигнал возьмут с выходов LUT, а вся цепочка триггеров окажется неиспользованной. В противоположность этому, при синтезе последовательного или параллельного регистра, все LUT будут по сути выполнять функцию проводника: соединять вход LE с входом D-триггера. Небольшое дополнение к схеме, даст возможность при необходимости использовать комбинационное устройство и триггер элемента раздельно для синтеза независимых модулей. Мультиплексор на входе триггера позволит выбирать источник сигнала: либо с входа DATAC, либо с выхода LUT. Кроме того, появляется возможность организовать дополнительный канал соединения триггеров соседних LE для увеличения быстродействия при построении последовательных регистров. На рисунке 6 показана схема получившегося логического элемента. Вход REGIN и выход REGOUT образуют выделенный канал для соединения триггеров, вход SLOAD (от английского "Synchronous Loading" – "Синхронная загрузка") управляет выбором источника сигнала для входа триггера.

Рисунок 6 – Структура логического элемента (LE) с возможностью разделения LUT и триггера

Базовый логический ПЛИС Cyclone IV

Рассмотренный элемент LE в том или ином виде присутствует в различных семействах ПЛИС, в нем может быть увеличено количество входов и сложность LUT, добавлены дополнительные соединения внутри LE и порты для интеграции в глобальную коммутационную сеть ПЛИС. Так, например, в топовом семействе Stratix IV в один элемент входит две шестивходовые LUT, два выделенных полных сумматора и четыре триггера! Однако, с практической точки зрения, для эффективной работы со стендом LESO2 нам целесообразно рассмотреть более подробно реализацию LE в семействах Cyclone, в частности в Cyclone IV.

На рисунке 7 показана схема логического элемента ПЛИС Cyclone IV.

Рисунок 7 – Логический элемента (LE) Cyclone IV

Также, как и в базовом логическом элементе, каждый триггер имеет вход данных, вход тактовых импульсов CLK, вход разрешения ENA и вход асинхронного сброса (очистки) ACLR. Добавился сигнал синхронной очистки SCLR (от английского "Synchronous Clear" – "Асинхронная Очистка"): если на этом входе появится логическая единица, то следующим тактовым импульсом в триггер будет записал логический ноль. Все это позволяет настроить программируемый триггер каждой LE на работу в режиме D, T, JK или RS триггера.

Комбинационное устройство по сравнению с базовой схемой получило некоторое усложнение. На входе C LUT мультиплексор выбирает источник сигнала, благодаря чему LUT может реализовывать логическую функцию четырех переменных, кроме того, в качестве переменной может быть использован флаг переноса или выход собственного триггера.

В Cyclone IV LUT может работать в двух режимах: нормальном и арифметическом. при компиляции автоматически выберет оптимальный режим для реализации требуемой функции. Нормальный режим предназначен для реализации основной логики и различных комбинационных функций. В этом режиме четыре входа LE (DATAA, DATAB, DATAC, DATAD) поступают на четыре входа LUT. Компилятор автоматически выбирает вход переноса CIN, вход DATAC или выход триггера (цепь обратной связи) в качестве одного из входов LUT. Арифметический режим подходит для синтеза сумматоров, счетчиков, аккумуляторов и компараторов (цепей сравнения). В этом режиме LUT представляет собой полный одноразрядный сумматор, включающий обработчик логики флага переполнения. Компилятор сам создает цепи переноса во время синтеза многоразрадных арифметических устройств.

Можно обратить внимание, что на рисунке логического элемента Cyclone IV отсутствует выходной мультиплексор, на самом деле он есть и не один. Но для того, чтобы понять логику их работы, нужно рассмотреть LE в контексте общей архитектуры ПЛИС.

Логические элементы LE объединяются в логические блоки LAB (Logic array blocks). В Cyclone IV каждый LAB содержит:

• 16 логических ячеек;
• сигналы управления LAB;
• цепи флага переноса LE;
• цепи каскадного объединения регистров;
• цепи локальных соединений.

Цепи локальных соединений передают сигналы между ячейками LE в одном LAB. Цепи объединения регистров соединяют выход регистра одного LE с входами регистров прилегающих ячеек LE. Компилятор Quartus II размещает связанную логику в LAB или в соседних LAB, позволяя использовать локальные цепи связи и связи регистров для увеличения производительности и эффективности размещения.

На цепи локальных соединений поступают сигналы со строк и столбцов глобального коммуникационного поля и с выходов ячеек LE, принадлежащих этому же блоку LAB. Соседние логические блоки, блок генератора с фазовой автоподстройкой частоты (PLL), ячейки памяти M9K RAM, встроенные умножители, расположенные с правой или левой стороны через специальные соединители, могут быть напрямую подключены к цепям локальных соединений LAB. Таким образом, любая ячейка LE может иметь соединение с шестнадшатью LE из своего блока (включая саму себя) и тридцатью двумя LE из LAB, расположенных слева или справа. Всего до 48-ми соединений! Такие непосредственные прямые соединения минимизируют использование глобальных маршрутов, обеспечивают большую гибкость при синтезе схемы и увеличивают общее быстродействие.

На рисунке 8 показана интеграция блока LAB в глобальную коммуникационную сеть ПЛИС.

Рисунок 8 – Структура соединений LAB в коммутационном поле ПЛИС

Каждый LE имеет три выхода, которые обеспечивают соединение с коммутационным полем ПЛИС. Эти выходы поступают на строки и столбцы глобальных соединительных трасс и на маршруты локальных соединений. Как и в базовом логическом элементе, LUT или триггер могут независимо управлять этими выходами.

Для того, чтобы можно было управлять всеми ячейками LE в пределах одного LAB одновременно, в логический блок встроена специальная логика и выделены особые линии – каналы управления. По таким каналам распространяются широковещательные (в пределах одного LAB) сигналы управления. Архитектура позволяет одновременно использовать до восьми управляющих сигналов:

• два тактовых сигнала (labclk1 и labclk2);
• два сигнала разрешения (labclkena1 и labclkena2);
• два сигнала асинхронного сброса (labclr1 и labclr2);
• сигнал синхронного сброса/очистки (synclr);
• сигнал синхронной загрузки (syncload).

Сигналы синхронной загрузки и сброса удобно использовать для синтеза различных счетчиков и регистров. Эти сигналы оказывают воздействие на все триггеры LE в пределах одного LAB.

На рисунке 9 показано подключение управляющих сигналов LAB и цепей локальных соединений к логической ячейке. Выводы LE соответствуют рисунку 7.

Рисунок 9 – Структура взаимодействия LE с сигналами управления

Каждый LAB имеет два тактовых сигнала и два сигнала разрешения. На уровне логического элемента выбирается какой сигнал будет подан на триггер, но тактовый сигнал связан с сигналом разрешения. Поэтому, хотя для любого LE в конкретной LAB можно выбрать какой тактовый сигнал использовать: labclk1 или labclk2, вместе с ним должен использоваться соответствующий сигнал разрешения. Например, если используется labclk1, вместе с ним будет использоваться только labcken1. Если LAB использует оба фронта (нарастающий и падающий) тактового сигнала, то будут задействованы оба канала тактирования, при этом логика выбора усложнится.

Chip Planer

После компиляции в окне Flow Summary можно посмотреть, какие ресурсы были использованы. После небольшого экскурса в архитектуру ПЛИС становился понятно, что значит Total logic elements и почему Total combinational function вынесено отдельной графой. Безусловно информация полезная, но для того, чтобы держать руку на пульсе этого явно недостаточно.

Рисунок 10 – Отчет компиляции

Для визуального контроля используемых ресурсов в Quartus II применяется утилита Chip Planer . Она показывает расположение и использование элементарных блоков в общей архитектуре целевой ПЛИС. Запустить Chip Planer можно из среды Quartus: меню Tools -> Chip Planer. На карте кристалла (рисунок 11) показаны все ресурсы ПЛИС: LE, объединенные в LAB, аппаратные умножители (DSP block), ячейки памяти, буферы ввода вывода, генераторы PLL. Цветом показана степень использования: светлым – неиспользуемые блоки, темным – максимально загруженные. Если увеличить масштаб (соответствующий инструмент на панел или ctrl+колесико мышки), то доступна детализация на уровне LE, здесь синим показан LUT, темно красным – триггер.

Большую детализацию можно получить если на панели Layers Settings сменить Basic на Detailed. В этом режиме при приближении видны локальные и глобальные цепи соединений, глобальные линии управления и управляющие сигналы LAB.

Рисунок 11 – Карта ресурсов ПЛИС

Если в LE выделить LUT или триггер, то на панели Node Properties можно увидеть схему LE и описание свойств и режимов работы. Двойной клик мыши по LUT или триггеру запустит в новом окне инструмент Resource Property Editor, в котором можно исследовать соединения внутри логического элемента. Синим выделены используемые цепи.

Рисунок 12 – Логический элемент в Resource Property Editor

Вместо заключения

Это далеко не полное описание архитектуры ПЛИС, за кадром остались такие важнейшие элементы как DSP блоки (умножители), блоки оперативной памяти, генератор PLL, буферы ввода-вывода, в последующих статьях цикла я постараюсь уделить им должное внимание. Однако следующий материал будет посвящен применению знаний о структуре логического элемента LE и об их объединении при проектировании простейших цифровых устройств.

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС , англ. programmable logic device , PLD) - электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры Verilog, VHDL, AHDL и др. Альтернативой ПЛИС являются: базовые матричные кристаллы, требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC - специализированные заказные БИС (большие интегральные схемы), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже; специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, которые из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС. Некоторые производители ПЛИС предлагают программные процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой ПЛИС.

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) появились полтора десятилетия назад как альтернатива программируемым логическим матрицам (ПЛМ). От последних ПЛИС отличаются как по архитектуре, так и по технологии изготовления.

ПЛМ представляет собой матрицу многовходовых (несколько десятков входов) логических элементов с триггерами, в которых перемычками программируются конституанты единиц дизъюнктивных нормальных форм функций этих элементов. Вначале перемычки выполнялись в виде пережигаемых тонких проводников. Теперь перемычки выполняются в виде МОП-транзистора с плавающим затвором, как в электрически перепрограммируемом ПЗУ, т.е. ПЛМ изготовляются по технологии флэш-памяти. Большие ПЛМ (CPLD) отличаются только тем, что несколько ПЛМ собраны на одном кристалле и объединены программируемым полем связей.

ПЛИС представляет собой матрицу маловходовых (от двух до пяти входов) логических элементов, триггеров, отрезков линий связи, соединяемых перемычками из полевых транзисторов. Судя по английскому названию - Field Programmable Gate Array (FPGA) - ПЛИС программируются изменением уровня электрического поля (field) в затворах этих транзисторов. В отличие, например, от LPGA - Laser Programmable Gate Array. Затворы всех "программирующих" полевых транзисторов подключены к выходам триггеров одного длинного сдвигового регистра, который заполняется при программировании ПЛИС. Некоторые из участков этого регистра могут также выполнять роль ячеек ПЗУ.

Прошивка обычно хранится в ПЗУ, стоящем рядом с ПЛИС и после включения питания или по сигналу сброса она автоматически переписывается в программирующий сдвиговый регистр ПЛИС. Этот процесс называется конфигурированием ПЛИС. Так как основу ПЛИС составляют триггеры, хранящие прошивку, то ПЛИС изготавливаются по технологии микросхем статического ОЗУ.

По сравнению с CPLD, ПЛИС выигрывают, во-первых, в неограниченном количестве перепрограммирований, во-вторых, в логической емкости, в том числе в удельной емкости вентилей на цент, в-третьих, в малом энергопотреблении.

Как правило, ПЛИС имеют на два - три порядка большую емкость в числе эквивалентных логических вентилей, чем CPLD и также как статическое ОЗУ, почти не потребляют энергии при отсутствии переключений. Кроме того, у ПЛИС на порядок выше надежность (ниже интенсивность отказов), чем у CPLD.

К недостаткам относят необходимость внешнего ПЗУ прошивки, генератора синхросерии. Но 8-выводовое ПЗУ занимает на плате значительно меньше места, чем сама ПЛИС с многими сотнями выводов. То же касается генератора синхросерии. программирование интегральный электронный

Много сомнений у пользователей возникает с защитой проекта от копирования. Действительно, прошивка ПЛИС хранится во внешнем ПЗУ, содержимое которого просто копируется. Но изменить или расшифровать прошивку, например, для скрытия авторства или восстановления схемы, практически невозможно, так как семантика битов в файле прошивки - секрет фирмы, а неосторожное изменение ее может вывести ПЛИС из строя. Если требуется защита, то загрузку программы выполняют с помощью внешней CPLD, автомат в которой обеспечивает защиту проекта. В ПЛИС новых поколений предусматривается шифрование прошивки, например, с помощью встроенного шифрователя DES с обеспечением сохранения ключа с помощью батарейки.

Программируемые логические интегральные схемы - ПЛИС являются одними из самых перспективных элементов цифровой схемотехники. ПЛИС представляет собой кристалл, на котором расположено большое количество простых логических элементов. Изначально эти элементы не соединены между собой. Соединение элементов (превращение разрозненных элементов в электрическую схему) осуществляется с помощью электронных ключей, расположенных в этом же кристалле. Электронные ключи управляются специальной памятью, в ячейки которой заносится код конфигурации цифровой схемы. Таким образом, записав в память ПЛИС определенные коды, можно собрать цифровое устройство любой степени сложности (это зависит от количества элементов на кристалле и параметров ПЛИС). В отличие от микропроцессоров, в ПЛИС можно организовать алгоритмы цифровой обработки на аппаратном (схемном) уровне. При этом быстродействие цифровой обработки резко возрастает. Достоинствами технологии проектирования устройств на основе ПЛИС являются:

• · минимальное время разработки схемы (нужно лишь занести в память ПЛИС конфигурационный код);
• · в отличие от обычных элементов цифровой схемотехники здесь отпадает необходимость в разработке и изготовлении сложных печатных плат;
• · быстрое преобразование одной конфигурации цифровой схемы в другую (замена кода конфигурации схемы в памяти);
• · для создания устройств на основе ПЛИС не требуется сложное технологическое производство. ПЛИС конфигурируется с помощью персонального компьютера на столе разработчика. Потому иногда эту технологию называют "фабрикой на столе".

Типичные области применения ПЛИС: цифровая обработка сигналов, пользовательская электроника, системы сбора данных, системы управления, телекоммуникационное оборудование, оборудование для систем беспроводной связи, компьютерное оборудование общего назначения.

Стремясь к достижению высоких технических характеристик и потребительских качеств своей продукции, разработчики электронных устройств используют специализированные ИС (СПИС). Их применение обеспечивает следующие преимущества:

• - уменьшение габаритов устройства. Применение СПИС позволяет снизить количество ИС, уменьшить размеры печатных плат и тем самым сократить габариты всего устройства;
• - повышение технических характеристик. Уменьшение количества ИС приводит к повышению системного быстродействия и сокращению потребляемой мощности;
• - повышение надежности. Так как вероятность ошибки или поломки устройства прямо пропорциональна количеству ИС, надежность устройств, использующих СПИС, значительно возрастает;
• - обеспечение защиты разработки. Так как скопировать устройство, содержащее СПИС, значительно сложнее (а иногда практически невозможно), чем устройство на стандартных компонентах, применение СПИС позволяет обеспечить авторские права разработчика;
• - повышение гибкости модификации. Так как модификация СПИС не требует, как правило, переработки остальных узлов, переразводки печатных плат и т.д., возможности отладки и модификации устройства значительно повышаются.

В большинстве случаев в литературе выделяют следующие классы СПИС (ASIC)

• - программируемые пользователем ИС - ПЛИС (PLD).
• - масочно-программируемые ИС - базовые матричные кристаллы (БМК) или вентильные матрицы (Gate Arrays).
• - ИС на стандартных ячейках (Standard Cells).
• - полностью заказные ИС (Full Custom).

ПЛИС и БМК относятся к категории полузаказных ИС, поскольку внутрисхемная топология частично формируется при производстве самих ИС, а частично программируется в соответствии с требованиями потребителя.

Остальные СПИС являются заказными, т.к. вся топология схемы с учетом требуемых функций разрабатывается при производстве кристаллов.

Классификация СПИС приведена на рисунке, из которого видно, какое направление и раздел СПИС занимает ПЛИС:

Классификация СПИС

ВВЕДЕНИЕ

Обычно, когда кто-то видит функционирующую плату, всегда задают одни и те же вопросы: - Это Ардуино? - А как это работает без Ардуино?

Это не микроконтроллер, это даже не процессор, это ПЛИС. ПЛИС - это программируемая логическая интегральная схема , такая микросхема состоит из множества одинаковых блоков или макроячеек, каждый производитель по своему их называет, так у Xilinx это Slices (ломтики) у Altera - LogicElements (логические элементы). Эти блоки относительно простые, они могут выполнять роль нескольких логических элементов, быть маленькой таблицей поиска (LUT), содержать готовый сумматор, умножитель, блок цифровой обработки сигналов (DSP), в общем все что задумает производитель. Пользователь может по своему желанию расположить и настроить эти блоки как ему захочется, реализовав таким образом достаточно сложные цифровые схемы. На ПЛИС можно реализовать хоть микроконтроллер, реализовав например ту же Ардуино или процессор вашей собственной архитектуры, например не регистровый а стековый процессор, даже свою собственную ПЛИС можно реализовать на ПЛИС!

Из доступных бюджетных ПЛИС можно выделить двух основных производителей Altera и Xilinx, с их продукции можно начать свой путь освоения данных технологий. На мой взгляд лучше выбрать чипы компании Altera, так как их среда проектирования стабильно обновляется, а выбрав один популярный чип Xilinx XC3S500E вам придется довольствоваться устаревшей средой ISE 14.7 (хотя и там есть свои плюсы).

В иностранной литературе можно встретить сокращения для ПЛИС: FPGA и CPLD. CPLD (Complex Programmable Logic Device) - чипы с небольшим числом макроячеек, специализированных блоков и малым энергопотреблением. Большой проект не получится синтезировать для такого типа чипов, но и для них находят применение на практике, так у редкого микроконтроллера найдется, скажем 300 ножек. Такие чипы часто применяют в качестве интерфейсных систем, предобработчиков, расширителей ввода-вывода. FPGA (Field-Programmable Gate Array) - программируемая пользователем вентильная матрица (ППВМ), значительно более мощные чипы по сравнению с CPLD, но потребляющие больше энергии и стоящие значительно дороже. Для уменьшения затрат площади кристалла FPGA чипы могут содержать уже готовые функции, такие как блоки цифровой обработки сигналов (DSP блоки), встроенные процессоры, встроенная память. FPGA широко применяются для проверки и верификации проектов, в так называемой докремниевой проверке пригодности, тем самым уменьшая затраты и время перед выходом продукта. FPGA чипы могут быть переконфигурированы практически в любой момент времени, сейчас ведутся разработки, например в Intel, по совмещению архитектур обычного процессора и чипа FPGA. У Xilinx уже есть такие решения - Zynq, но о них мы пока не будет вести речь.

Разговор пойдет о более простых вещах, тем более ко мне в руки попал набор разработчика: Cyclone IV 4 FPGA Core Board и Altera USB Blaster Downloader PLD Development kit за 35$, приобретенный на AliExpress .

1 Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board, краткая характеристика

Рис. 1 - Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board

На плате (Рис. 1) установлен чип EP4CE6E22C8N, его характеристики:

На плате установлено:

1. Флэш память – при подаче питания ПЛИС будет сконфигурирована в реализацию во флеш памяти. Вы можете синтезировать свой проект и записать в эту флэш
2. Кварц 25 Мгц – генератор опорной тактовой частоты, именно на этой частоте будут работать все наши проекты, наша ПЛИС может поддерживать до 10 таких каналов.
3. Светодиоды – 10, кнопки – 2.
4. Пины ввода-вывода 61 + 2 земля, 1 не соединен. Можно подключить разнообразные устройства. ЦАП-АЦП, акселерометры и гироскопы, символьный и графические дисплеи, как и у Ардуино.
5. Питание через USB, или внешнее 5В.

В комплекте также идет программатор JTAG, Altera USB Blaster.

2. Среда Quartus II и наш первый проект

Для работы с данной ПЛИС нам нужно скачать официальную среду разработки - Quartus II Web Edition , она бесплатная. Заходим на официальный сайт http://dl.altera.com/15.0/?edition=web , на момент написания версия 15.0 самая новая, если вышла новее, скачиваем ее.

Выбираем:

Рис. 2 - выбираем необходимые продукты Altera

И жмем кнопку скачать (Download Selected Files). После чего нам предложат зарегистрироваться, регистрируемся, скачиваем и устанавливаем.

Создадим свой первый проект.

Запускаем Quartus, выбираем главное меню File -> New Project Wizard, появляется окно введения, жмем next. Далее нужно указать каталог для проекта и его имя, третье поля – имя верхнего модуля, попозже увидите, что это. Выбираем папку, куда хотим сохранить проект и придумываем имя, у меня test1.

Рис. 3 - окно мастра нового проекта

Жмем next, у нас спрашивают, пустой проект (empty project) или шаблон (Project template). Оставляем пустой, next. Дальше нас просят добавить существующие файлы, у нас ничего нет, поскольку мы только начинаем свой путь, жмем next.

Далее нам необходимо выбрать наш чип, это можно сделать в любое время. Выбираем как на рисунке, Family – Cyclone IV E, specific device selected in “Available devices” и выбираем наш чип EP4CE6E22C8N, он в самом начале. Если у вас другой, найдите свой, это важно . Жмем next.

Рис. 4 -

Появится окно - выбора средств проектирования, отладки, пока это пропускаем, нажимаем next и затем finish.

Рис. 5 - Окно « Assinments-Deice »

В окне выбираем пункт «Unused pins». Эта настройка определяет, что будет с неподключенными пинами. Это может быть важно, в своем проекте вы вряд ли используете все пины, а не подключенные могут быть на деле соединены с землей или питанием (ну мало ли, кто разводил плату). Если вы подадите единичку на заземленный пин, то он сгорит, поэтому нужно внимательно следить за этим.

По умолчанию неиспользуемые пины «As input tri-stated with weak pull-up» (пины для ввода, находятся в третьем состоянии с высоким импедансом, со слабой подтяжкой по питанию), можно оставить или выбрать «As input tri-stated». Про подтягивающий резистор можете прочитать на википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Подтягивающий_резистор . В цифровой технике может быть три состояния, логическая единица – это напряжение питания или высокий уровень, логический ноль – это когда вывод подключен к земле или низкий уровень и высокоимпедансное состояние. Высокоимпедансное состояние - это когда пин имеет очень высокое сопротивление и практически не влияет на провод, к которому подключен, такое состояние нужно, например, при организации шин, когда множество устройств подключены к одному проводу и не активные устройства не мешают работе.

Рис. 6 - Окно « Device and Pin Options » , Unused Pins

Подключаем это все в «Assignment Editor»

Рис. 7 - Вызов « Assignment Editor » из меню или панели

В появившемся окне делаем как у меня, ну или если совсем правильно, то согласно схеме вашей платы.

Рис. 8 - Assinement Editor

В колонке «To» вписываем имя входа или выхода. В колонке «Assignment Name» выбираем «Location». В колонке «Value» номер контакта микросхемы, согласно схемы платы (у меня номера пинов написаны прямо на плате).

Также нужно указать, что делать с кнопками, которые одной ногой подключены к земле, а другой ко входу чипа. При нажатии на ноге будет низкий уровень, а вот без нажатия, непонятно, нога чипа будет просто висеть в воздухе, что очень плохо. Нужно подтянуть к питанию вход чипа либо резистором на плате, либо боле элегантным способом в «Assignments Editor». В колонке «Assignment Name» выбираем «Weak Pull Up resistor» для группы key* (группа обозначается через звездочку).

Рис. 9 - Assignment Editor

Далее нужно создать описание модуля верхнего уровня, который будет работать непосредственно с ножками чипа, все остальные модули будут работать только с ним. В главном меню жмем New, и выбираем "Design Files-> Block Diagram/Schematic File".

Рис. 10 - Диалог новых файлов

В открывшемся окне выбираем инструмент «Pin Tool» и располагаем вход и выход (пины ввода и вывода) на диаграмме. Переименовываем вход как key, выход как led и соединяем их проводником. Сохраняем и нажимаем "Start Compilation".

Рис. 11 - Окно графического описания, выделены Pin Tool и Start Compilation

После компиляции у нас возникли предупреждения, пока игнорируем их, они касаются неподключенных пинов, отсутствия тактового сигнала и описания для «Timing Analyzer».

Подключаем демоплату и программатор, выбираем инструмент «Programmer». В окне должно значиться «USB-Blaster », если нет то нажимаем «Hardware Setup» и пытаемся разобраться почему нет, скорее всего не установлены драйвера, смотрим в устройства Windows, ищем неопределенные устройства, может с кабелем проблема. Если все хорошо нажимаем «Auto Detect» и выбираем наш чип.

Рис. 12 - Окно Programmer

Нажимаем двойным щелчком мыши в поле «File» и выбираем файл для записи на ПЛИС (находиться в папке output_files нашего проекта), ставим галочку в поле «Program / Configure», и нажимаем кнопку «Start».

Рис. 13 - Окно Programmer, наш чип уже сконфигурирован

Поздравляю с первой конфигурацией ПЛИС! Диод D1 должен светиться, при нажатии key1 должен гаснуть (так как кнопка замыкает ножку с землей), далее мы с этим что-нибудь сделаем)

Недавно я все-таки сделал свой первый шаг к ПЛИС и призвал вас за собой . Мое фанатическое увлечение ПЛИС и идея о том, что ПЛИС является лучшей платформой для создания любых устройств приобрела религиозный характер. Моя секта ПЛИСоводов проповедует полный отказ от микроконтроллеров, а особо экстремистская ветвь проповедует отказ не только от софт процессоров , но и вообще от последовательных вычислений!

Как всегда, постижению истин помогло решение реальных задач. В сегодняшней проповеди я хотел бы рассказать об испытаниях, которые выпадают на долю молодого ПЛИСовода. Преодолевая испытания мы постигаем истину. Но остаются вопросы, на которые я не нашел ответов. Поэтому я бы очень хотел, чтобы братья-хабровчане - ПЛИСоводы с опытом, поучаствовали в обсуждении, протянули руку помощи своим младшим собратьям.

Эта статья для новичков. В ней я опишу типичные проблемы, вопросы, заблуждения, ошибки, которые могут появиться в самом начале обучения (потому что они появились у меня). Однако, контекст статьи ограничен тем, что разработка ведется на ПЛИС от Altera в среде Quartus на языке Verilog .

Трудно жить ничего не делая, но мы не боимся трудностей!

Но в своих разработках я пришел к тому, что наличие реальной ПЛИС мне требуется уже на финальном этапе разработки, когда нужно протестировать проект «в железе». Речь о том, что бóльшую часть времени я провожу в отладке своего кода с помощью симуляторов.

Поэтому мой совет: отсутствие ПЛИС - это не повод бездействовать. Пишите и отлаживайте модули для ПЛИС в симуляторах!

Симулятор для Verilog

Попробовать прямо сейчас

Для начала работы в среде Windows, достаточно скачать по ссылке http://bleyer.org/icarus/ файл установки iverilog-20130827_setup.exe (development snapshot)

Установка трудностей не вызывает. Теперь немного забежим вперед: создадим папку для проекта и в ней пару файлов с пока что не понятным содержимым:

Файл-модуль с кодом для тестирования модулей - bench.v

`timescale 1ns / 100 ps module testbench(); reg clk; initial begin $display("start"); $dumpfile("test.vcd"); $dumpvars(0,testbench); clk <= 0; repeat (100) begin #10; clk <= 1; #10; clk <= 0; end $display("finish"); end

BAT Файл, который скомпилирует и просимулирует главный модуль, добавив другие модули из текущей папки - makev.bat

iverilog -o test -I./ -y./ bench.v vvp test pause

После симуляции наступает пора запуска Quartus. Но загружать прошивку в ПЛИС пока еще рано. Нужно убедиться, что божественная вычислительная машина правильно поняла, какую схему мы хотим получить, изложив свои мысли в виде Verilog"а.

Разница между симуляцией и работой в реальном железе

Пытливый котенок, начинает искать взаимосвязь между своими действиями и результатом («голубиное суеверием»).

Самая большая драма

Список найденных странностей

Если обозначить reg, то не факт, что он будет создан

//задаю 8 битный регистр reg val; //инициирую его значением initial val <= 8"d0240; //wire к которому подключим выход из модуля wire out_data; //неведомый модуль, называется bbox //экземпляр этого модуля называется bb_01 //будем считать, что в модуле есть входной порт in_data и выходной out_data //во входной порт подаем значение с регистра val, а выход подключаем к wire - out_data bbox bb_01(.in_data(val), .out_data(out_data));
Казалось бы в чем подвох? В императивных ЯП мы часто задаем переменные в качестве констант и потом ни разу их не меняем и все работает. Что же мы видим в железе?


Во-первых, мы не видим регистра. Во-вторых, на вход модуля подано 8"hFF вместо наших 8"d0240! И этого уже достаточно для того, чтобы схема заработала не так, как мы планировали. То, что регистра нет - это нормально. В Verilog можно описывать логику разными способами, в то же время, синтезатор всегда оптимизирует аппаратную реализацию. Даже если написать блок always и в нем работать с регистрами, но при этом выходное значение всегда будет определяться входными, то применение регистра тут окажется лишним и синтезатор его не поставит. И наоборот, если при каких то значениях входных данных выходное значение не меняется, то тут никак не обойтись без регистра-защелки и синтезатор его создаст. (Книга 1 стр. 88-89). Что из этого следует? Если мы начнем менять значение регистра, например, в зависимости от нажатии кнопок, то геристр уже будет создан и все будет работать так, как нужно. Если же окажется, что кнопки ничего не меняют, то синтезатор его опять же выкинет и опять все поломается. Что же делать с константой? Нужно подать ее напрямую на вход модуля:

Bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(out_data));
Теперь на входе модуля мы имеем правильное значение:

Остается загадкой, почему при сокращении регистра, его значение в initial не подставляется на вход модуля.

Размерность wire лучше задавать самому.

Bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(int_data)); other_bbox bb_02(.in_data(int_data), .out_data(out_data));
Предупреждение
Warning (10236): Verilog HDL Implicit Net warning at test.v(15): created implicit net for "int_data"
Результат:

Как видим, один бит подключен, а остальные 7 бит получаются не подключены (NC). Чтобы такой проблемы не было - нужно создать wire самостоятельно. Не зря компилятор IcarusVerilog выдает не warning, а ошибку, если wire не задан заранее.

Wire int_data; bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(int_data)); other_bbox bb_02(.in_data(int_data), .out_data(out_data));

Компьютер не будет лазать по модулям, смотреть, какая разрядность портов. К тому же, разрядность может оказаться разной, а на вход модуля или с выхода берутся не все биты, а какие-то определенные.

Нельзя использовать выход логической функции, в качестве тактового сигнала

Если прочитать хотя бы парочку статей:
Метастабильность триггера и межтактовая синхронизация
Пару слов о конвейерах в FPGA

То становится ясно, каким образом разрабатываются устройства на ПЛИС: вся задача делится на аппаратные блоки, а данные между ними движутся по конвеерам, синхронно защелкиваясь в регистрах по тактовому сигналу. Таким образом, зная общую тактовую частоту, синтезатор рассчитывает максимальную частоту работы всех комбинаторных схем, определяет, укладывается ли их скорость к период такта и делает вывод - будет или не будет работать схема в ПЛИС. Все это происходит на этапе синтеза. Если схемы укладываются в параметры, то можно прошивать ПЛИС.

Таким образом, для разработчиков устройств на базе ПЛИС созданы все необходимые методологии, и если их придерживаться, то проблем не будет.

А что, если я хочу пойти против системы?

Но что же делать, если вы не согласны с мнением синтезатора о том, что нужно выкидывать неизменяемые регистры, сокращать логические схемы? Как быть, если хотите делать схемы с асинхронной логикой? Нужна тонкая настройка? А может быть вы сами хотите собрать схему на низкоуровневых компонентах ПЛИС? Легко! Спасибо разработчикам Altera за такую возможность и подробную документацию!

Как это сделать? Можно попробовать графический редактор схем. Вы, возможно, слышали о том, что Quartus позволяет рисовать схемы? Можно самому выбрать стандартные блоки и соединить их. Но это не решение! Даже нарисованная схема будет оптимизирована синтезатором, если на это будет возможность.

В итоге мы приходим к старой истине: если ничего не помогает - прочитайте инструкцию . А именно «Altera Handbook» часть под названием «Quartus II Synthesis Options» .

Начнем с того, что описывая архитектуру на Verilog определенным образом, можно получить определенный результат. Вот примеры кода для получения синхронного и асинхронного RS триггера:

//модуль синхронного RS триггера module rs(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; always @(posedge clk) begin if (r) begin q <= 0; end else if (s) begin q <= 1; end end endmodule
В этом случае получится синхронный триггер.

Если не брать во внимание тактовый сигнал и переключаться в зависимости от любых изменений r и s, то в результате получится элемент с асинхронной установной значений - защелка (latch).

//пример модуль асинхронного RS триггера module ModuleTester(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; always @(r or s) begin if (r) begin q <= 0; end else if (s) begin q <= 1; end end endmodule

Module ModuleTester(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; DLATCH lt(.q(q), .clrn(~r), .prn(~s)); endmodule

В итоге, весь «обвес» на входе защелки, который синтезатор посчитал нужным, исчезнет и мы получим именно то, что хотели:

Список существующих примитивов можно посмотреть на сайте Altera.

А теперь небольшой пример про асинхронность и сокращение. Задумал я, к примеру, сделать генератор по тому же принципу, как это было принято делать раньше, но только на ПЛИС:

Но для увеличения периода я возьму 4 элемента, но только один из них будет с инверсией:

Module ModuleTester(q); output wire q; wire a,b,c,d; assign a = b; assign b = c; assign c = d; assign d = ~a; assign q = a; endmodule

Но получается сокращение (1 элемент, вместо четырех). Что логично. Но мы то задумывали линию задержки.

Но если поставить синтезатору условие, что линии a,b,c,d не сокращать, то получится то, что мы задумали. Для подсказки синтезатору применяются директивы . Один из способов указания - это текст в комментарии:

Module ModuleTester(q); output wire q; wire a,b,c,d /* synthesis keep */; // ^^^--- это директива для синтезатора assign a = b; assign b = c; assign c = d; assign d = ~a; assign q = a; endmodule
А вот и результат - цепочка из четырех элементов:

И это далеко не все! Оставлю на радость самостоятельного изучения: работу с case и директиву для реализации его в качестве RAM/ROM или логической схемой; работу со встроенными блоками памяти (RAM/ROM); выбор реализации умножения - аппаратным умножителем или логической схемой.

Ты ждал знак? Вот он!

Много лет я не решался начать программировать ПЛИС, потому что это сложно, дорого и больно (как мне казалось). Но хорошо, когда есть друзья, которые помогают сделать первый шаг. И теперь я не понимаю одного - ПОЧЕМУ Я ЖДАЛ ТАК ДОЛГО?

Сейчас я помогу сделать первый шаг и тебе!

А зачем оно мне?

Хочешь наконец вздохнуть свободно? Идем дальше!

Радость от разработки на ПЛИС

В тот вечер я понял: ВОТ ОНО! Вот та платформа, в которой я быстро и легко могу превращать свои мысли в реально работающее железо!

Почему так?

• Универсальность знаний - при смене модели МК нужно читать доки. При смене производителя МК нужно читать доки. Нужно постоянно читать доки, постоянно держать в голове кучу информации. При разработке на ПЛИС, если знаешь Verilog или VHDL, то можно не только программировать любой ПЛИС из линейки одного производителя, но и при желании перейти на другого (Altera, Xilinx). Хоть и будут моменты с освоением другой среды разработки, тонких аппаратных моментов, но сама суть подхода проектирования устройств на HDL от этого не изменится.
• От идеи к железу - при разработке проекта, если тебе не хватает одного мк, то приходится выбирать другой. В принципе можно строить предположения справится или не справится этот МК с проектом. Либо есть какой-то конкретный МК и ты пытаешься туда вместить проект. Чаще всего именно так. Мне это чем-то напоминает подход моего деда, который делает лестницу из того, что есть в сарайке. Хотя можно спроектировать лестницу, купить досок, которые подойдут… От идеи к железу, а не наоборот.
• Простота применения чужих разработок - можно взять чужой модуль и применить его в своем проекте. По коду сможете понять, как он работает. Даже, если он для xilinx, а вы делаете под altera. Иногда это получается не сарзу, но это проще, чем, например, добавлять двоичные библиотеки к проекту на c++/Qt
• Независимость блоков. Блоки в HDL, как чистые фунции в ЯП. Зависят только от входных сигналов. Разработанный и отлаженный модуль в будет и дальше работать правильно, как бы не рос проект. Ничто снаружи не повлияет на правильность его работы изнутри. Да и вообще можно забыть, как он работает - это черный ящик. К тому же, блоки работают параллельно .

Проблема выбора

Производитель

Язык

Отладочная плата

В семействе Altera, за разумные деньги мы можем купить платы с CPLD MAX II на 240, 570 и 1270 элементов, либо более старшие микросхемы FPGA, которые Cyclone 1, 2, 3, 4 с количеством до 10000 и более ячеек. Как же выбрать?

Даже на базе 240 ячеек, проект Марсоход делает просто огромное количество проектов . Настоятельно рекомендую ознакомиться, чтобы иметь примерное представление о сложности проектов, которые можно уместить в 240 ячеек. С другой стороны, существуют проекты , которые полностью программируются под аппаратную копию определенного ПК, включая процессор и всю логику вокруг него (NES , Speccy , Orion , ЮТ-88 , etc). Для этого уже требуется пять, десять и более тысяч ячеек. Плюс эти платы содержат дополнительные внешние устройства.

Поэтому я бы посоветовать взять что-то среднее между 240 и 10000 ячейками, с предпочтением в сторону увеличения в зависимости от доступных средств. На отладочной плате лишние ячейки это не страшно, а если их не хватит - уже ничего не поделаешь. Потом, когда устройство отлажено, станет ясно, сколько надо ячеек, купить под нужное количество, без лишнего «обвеса», дешевле и оставить в готовом устройстве.

То, чем действительно отличаются MAX от Cyclone"ов, кроме количества ячеек, это:
1) У серии MAX внутри нет PLL. На каждой отладочной плате есть генератор, как правило на 50 МГц. Основной массе проектов этого будет достаточно. Все синхронизации будут происходить путем деления 50 МГц на какое-нибудь значение. Либо, можно взять внешний генератор и подать на отдельный вход ПЛИС. А что, если потребуется частота выше 50 МГц? Мне не удалось с ходу найти генераторы выше 50 МГц. Но тут как раз на помощь и приходит PLL, который встроен в Циклоны. На нем можно умножить частоту, например, до 100 МГц.
2) В серии Cyclone встроены аппаратные блоки умножения. Их количество зависит от конкретной модели - тут как раз можно «всетаки заглянуть в инструкции», чтобы узнать сколько. Если предполагаете делать какой-то ЦОС, то они пригодятся: сэкономят ячейки, увеличат скорость. С другой стороны, если нет умножителей, их можно синтезировать, но у маленькой ПЛИС на это может не хватить ресурсов.

Во всем остальном у меня критерий «влезло/не влезло». Отладка на заведомо бОльшей, чем нужно плате, с последующей заливкой в минимально необходимую для этого.

Сколько нужно денег?

Программатор
Я считаю, что у меня нет времени, чтобы паять программаторы на рассыпухе.

300 рублей. Я свой брал на ебее , выглядит так:

Отладочная плата
Выбор широкий, в зависимости от количества денег.

Начальный уровень 350 - 550 рублей. Это платы на MAX II ( или ячеек). Могут подойти для начального ознакомления и дальнейшего пристройства в конечные устройства. На плате есть генератор, пара кнопок, пара светодиодов, остальные 80 выводов на свое усмотрение.

Блок питания
Обязательно должен быть, но не всегда идет в комплекте. Потребуется БП на 5 вольт и ток 2А.

Средний уровень от 900 до 1500 рублей. Это платы Cyclone 1, 2, 3, 4 отличающиеся в основном количеством ячеек.
Маркируются примерно так:
EP2 C5 T144 - Cyclone 2 примерно 5к ячеек
EP4 CE6 E22C8N - Cyclone 4 примерно 6к ячеек
EP2 C8 Q208C8N - Cyclone 2 примерно 8к ячеек

Можно заметить, что Cyclone 3 может иметь больше ячеек, чем Cyclone 4.

Вот несколько вариантов:

835 рублей.
ALTERA FPGA CycloneII EP2C5T144 Minimum System Board for Learn good

880 рублей
Altera CycloneII EP2C5T144 FPGA Mini Development Learn Core Board E081

1265 рублей
EP2C8 EP2C8Q208C8N ALTERA Cyclone II FPGA Evaluation Development Core Board

Платы с расширенными возможностями . Это платы, на которых установлены дополнительные модули (UTP, USB, AUDIO), разъемы (SD, VGA), кнопки, переключатели, светодиоды, семисегментные индикаторы и т.д. Либо может идти базовая плата, а к ней могут прилагаться платы расширения отдельно.

У меня трудится такой комплект - плата + плата расширения:
Altrea EP4CE10E22 FPGA CORE Board+ Device Board USB/Sound/Ethernet/SD Card/VGA
2760 рублей

Вот основная плата. На ней есть 2 светодиода, 2 кнопки, 4 переключателя, семисегментный интикатор и микросхема оперативной памяти.

Плата расширения. На ней распаяны SD, VGA, а так же контроллеры USB(High Speed USB2.0 Chip: CY7C68013A), AUDIO(Sound Card up to 96kHz/32bit ADC/DAC: WM8731S), UTP(100M Ethernet interface: DM9000A):

Эти платы просто вставляются одна в другую, но у меня она пока лежит в ящике. Для своих поделок у меня макетка, с которой я соединяюсь шлейфом, который идет в комплекте. Еще в комплекте идет блок питания на 5 вольт.