ПЛИС типа «система на кристалле»

Дальнейшее развитие архитектур идет по пути создания комбинированных структур, сочетающих удобство реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов на базе таблиц перекодировок и реконфигурируемых модулей памяти, характерных для FPGA -структур и многоуровневых ПЛИС с удобством реализации цифровых автоматов на CPLD -архитектурах. Увеличение интеграции современных программируемых логических интегральных схем, расширение их функциональных возможностей, повышение быстродействия, развитие и разнообразие их архитектур привело к тому, что стало возможным разместить на одном кристалле целую электронную систему, включающую в себя микропроцессорное/микроконтроллерное ядро, массив программируемой логики и блок памяти. Такие системы называют программируемыми или конфигурируемыми устройствами типа система на кристалле (SoC, System-on-Chip).

Интеграция все большего числа элементов на кристалле приводит к сокращению размеров, повышению быстродействия и надежности, уменьшению потребляемой мощности и стоимости. Возможность быстрой реконфигурации схем непосредственно в работающем устройстве позволяет не только эффективно отрабатывать прототип проекта, но и создавать принципиально новые структуры с многофункциональным использованием и динамическим реконфигурированием аппаратных средств.

Проектирование средств на SoС основывается на разработке и применении библиотек схемных решений. Библиотечные блоки могут быть представлены в следующих вариантах.

Soft-ядра или виртуальные компоненты. Это файлы, которые интегрируются в описание проектируемого устройства на языках HDL. На основе soft-ядер реализуются однородные структуры, в которых разные функциональные блоки реализуются идентичными программируемыми схемотехническими блоками.

Hard-ядра, представляющие собой реализованные на кристалле области с фиксированными функциями. На основе hard-ядер реализуются блочные структуры, имеющие жестко выделенные для определенных функций аппаратные ядра. SoС блочного типа включают в себя как программируемые, так и фиксированные области, в которых реализованы блоки с предопределенными функциями. Такими блоками являются микропроцессоры или микроконтроллеры, FPGA, память.

Преимуществом однородных структур является их гибкость и технологическая однородность. К недостаткам можно отнести меньшую скорость работы и большую площадь, занимаемую на кристалле. Однако следует заметить, что чем больше процент синтезируемой части схемы, тем выше гибкость схемы, но тем больше блоков теряют при этом оптимальность своих параметров. Блочные структуры имеют более высокое быстродействие, используют кристаллы меньшей площади, используют стандартные блоки с улучшенными параметрами. В настоящее время обе разновидности SoC развиваются одинаково интенсивно.

Так, ПЛИС APEX 20 K фирмы Altera (рис. 27.12) имеет однородную структуру и содержит в себе логические элементы всех перечисленных типов, что позволяет отнести эту ПЛИС к семейству SоC.

Рис.27.12. Структура SoC APEX 20 K

В основе идеи SоC лежит интеграция всей электронной системы в одном кристалле (например, в случае ПК такой чип объединяет процессор, память, и т. д.). Компоненты этих систем разрабатываются отдельно и хранятся в виде файлов параметризируемых модулей. Окончательная структура SоC -микросхемы выполняется на базе этих "виртуальных компонентов" с помощью программ систем автоматизации проектирования (САПР) электронных устройств – EDA (Electronic Design Automation). Благодаря стандартизации в одно целое, можно объединять "виртуальные компоненты" от разных разработчиков.

Эта микросхема с триггерной памятью конфигурации обладает программируемостью всех основных областей кристалла. Уровень интеграции этой микросхемы составляет до 3 млн. типичных эквивалентных вентилей, встроенная память – до 1,2 млн. бит. В микросхеме комбинируются табличные методы реализации функций и реализация в дизъюнктивных нормальных формах, т.е. частично используются FPGA и CPLD. Схема имеет встроенную память и гибкую систему интерфейсов.

SoC блочного типа используют в качестве процессорных ядер преимущественно 8- и 32-разрядные ядра. В качестве процессора первого типа наиболее часто используют восьмиразрядный микропроцессор 8051 фирмы INTEL, второго – процессор ARM 7. В состав микросхемы A 7 компании Triscend входят ядро ARM 7 TDMI с дополнительным четырехпортовым ассоциативным кэшем объемом 8 Кбайт и сверхоперативной SRAM -памятью объемом 16 Кбайт и целый ряд периферийных узлов с жесткой логикой, необходимых для большинства управляющих приложений. Программируемые периферийные узлы, реализованные в виде матрицы конфигурируемой системной логики (CSL), подключаются к адресным и управляющим сигнальным линиям посредством селекторных блоков (рис.27.13).

В дополнение к фиксированным функциям, которые совершенно естественны для процессоров, рассчитанных на работу в составе системы (типа интерфейса памяти или интерфейса JTAG для автоматизации тестирования), в кристалле А 7 имеется целый ряд дополнительных специализированных периферийных узлов, что свидетельствует о его ориентации на применение в управляющих приложениях общего назначения. В их число входят два таймера, два универсальных асинхронных приемопередатчика, контроллер прямого доступа в память, контроллер прерываний и сторожевой таймер. Подобная периферия, как правило, всегда нужна во встраиваемых системах.

Остальная площадь кристалла А 7 занята матрицей конфигурируемой системной логики (CSL configurable system logic), обменивающейся данными с процессором по конфигурируемой системной (CSI) шине (configurable system interconnect bus CSI bus). Матрица CSL создана на базе SRAM -памяти, при этом в составе кристалла TA 7 S 20, первого члена семейства А 7, имеется 2048 конфигурируемых логических ячеек, которые могут быть запрограммированы либо как специализированные периферийные узлы, либо как ячейки памяти (например, двухпортовой). Логическая матрица и CSI -шина взаимодействуют через сокеты системных межсоединений, так что логические адреса периферийных узлов не зависят от их физического расположения в матрице.

Рис.27.13. Структурная схема SoC семейства А 7

Устройства SoC развиваются чрезвычайно быстро, и нет никаких сомнений в том, что число новых поставщиков со своими уникальными предложениями, будет расти и расти. Объединение процессорных архитектур с фиксированными наборами инструкций и программируемых логических матриц на одном кристалле является альтернативой полностью заказным ИС. Она, кроме того, позволяет оценить достоинства и недостатки аппаратно-программных вариантов будущего проекта без огромных материальных и временных затрат, причем достоинства и недостатки реальных устройств, которые будут входить в систему. Не решая всех проблем, эти устройства, тем не менее, обещают стать весьма привлекательной альтернативой для применения в системных проектах будущего.

ГЛАВА 28