TC Moduł 15

Zaawansowane metody syntezy logicznej w projektowaniu układów cyfrowych w strukturach programowalnych.

---

Jak już mówiliśmy ogromną rolę w technice cyfrowej spełniają układy programowalne, często określane nazwą programowalnych modułów logicznych lub krótko hasłem FPLD (Field Programmable Logic Devices). Obecnie produkowane układy FPLD w zależności od ich struktury klasyfikujemy na: proste układy PLD, złożone układy PLD (Complex PLD, w skrócie CPLD) oraz układy FPGA. W prostych układach PLD podstawowym elementem konstrukcyjnym jest matryca AND-OR i zespoły elementów wyjściowych, które w najprostszych układach ograniczają się do przerzutników i trójstanowych buforów wyjściowych, a w bardziej rozbudowanych obejmują dodatkowo multipleksery oraz bramki XOR i z tych powodów nazywane są makrokomórkami (Macrocell). Matryca AND-OR może być matrycą typu PAL (Programmable Array Logic), której cechą charakterystyczną jest programowalna matryca AND i stała matryca OR lub typu PLA (Programmable Logic Array), gdzie obie matryce, AND i OR są programowalne. Znaczy to, że PAL jest zespołem bramek iloczynowych dołączonych do oddzielnych bramek OR, a w PLA każda bramka AND może być dołączona do dowolnej bramki OR.

---

Symboliczny schemat matrycy PLA rozumieć należy następująco: linie poziome reprezentują zmienne wejściowe i wyjściowe. Linie wejściowe są podwójne, górna odpowiada zmiennej w postaci prostej, dolna – zmiennej w postaci zanegowanej. Linie pionowe reprezentują iloczyny (wejścia bramek AND). Zmienna (prosta lub zanegowana) jest czynnikiem iloczynu jeżeli na przecięciu odpowiedniej linii poziomej i pionowej jest kropka. Jeśli iloczyn ten jest składnikiem odpowiedniej sumy (bramki OR) – analogiczna kropka jest umieszczona na przecięciu linii pionowej i poziomej wyjściowej. Fizycznie kropka oznacza, że dany punkt połączeniowy między linią pionową i poziomą jest zaprogramowany. Proces programowania jest wykonywany automatycznie, najczęściej na podstawie schematu punktów programowania wytworzonego wg. procesu syntezy wykonanego w komputerowym systemie projektowania. W rezultacie tradycyjny układ logiczny zbudowany z bramek może być łatwo zrealizowany w strukturze PLA.

---

W podobny sposób interpretujemy schemat matrycy PAL. Jedyną różnicą jest to, że w tym przypadku wyjścia bramek AND są dołączone do wejść bramek OR na stałe – czyli nie są programowane. Z tych powodów liczba linii iloczynu w strukturach typu PAL jest przy realizacjach zespołów funkcji na ogół większa niż w matrycach PLA. Mimo to w produkowanych obecnie strukturach programowalnych częściej stosuje się matryce typu PAL. Decydują o tym inne zalety tych struktur, a właściwie technologiczne wady matryc PLA.

---

Bardziej rozbudowane struktury programowalne to przede wszystkim układy CPLD oraz FPGA.

---

W układach CPLD cechą charakterystyczną struktury jest programowalna matryca połączeń (PIA – Programmable Interconnect Array) otoczona makrokomórkami (Macrocell). Typowa makrokomórka układów CPLD typu MAX (ALTERA) jest zbudowana z matrycy AND-OR (najczęściej typu PAL), z programowalnych przerzutników, bramek OR i XOR, multiplekserów i buforów trójstanowych. Jest to jakby sekcja układu PAL dodatkowo wyposażona w przerzutniki i inne elementy logiczne spełniające rolę pomocniczą. Cechą charakterystyczną tej struktury są bloki logiczne LAB (Logic Array Block), zbudowane z matrycy tzw. ekspanderów i matrycy makrokomórek (na ogół kilkanaście makrokomórek) połączonych z matrycą PIA i blokiem wejściowo-wyjściowym (I/O Control Block).

---

W układach FPGA typową strukturą jest prostokątna macierz elementów logicznych zwanych komórkami, rozmieszczonych w środowisku komutacyjnym kanałów połączeniowych, jak to jest pokazane na rysunku na planszy. Komórka struktur FPGA jest zazwyczaj zbudowana z uniwersalnego układu kombinacyjnego (w sensie możliwości realizacji dowolnej funkcji logicznej) o kilku wejściach i jednym lub dwóch wyjściach, przerzutników i pomocniczych multiplekserów. Uniwersalny układ kombinacyjny nazywa się strukturą tablicową – LUT (Look Up Table), a jednocześnie klasę układów zbudowanych z takich komórek nazywa się układami FPGA typu LUT. Budowa komórek układów FPGA wywarła ogromny wpływ na rozwój specjalnych procedur syntezy logicznej zwanych dekompozycją funkcjonalną.

---

Wpływ zaawansowanych procedur syntezy logicznej na jakość implementacji sprzętowych układów cyfrowych jest najbardziej znaczący w algorytmach wykorzys¬tujących struktury FPGA typu LUT. Struktury takie są powszechnie stosowane w ukła¬dach przetwarzania informacji i sygnałów np. w realizacjach algorytmów kryptogra¬ficznych, w filtrach cyfrowych, układach transformacji falkowej oraz w realiza¬cjach układów wykorzystujących arytmetykę rozproszoną. Zatem stosowanie zaawansowanych procedur syntezy logicznej – dostępnych głównie w oprogramowaniu uniwersyteckim – niejednokrotnie może się przyczynić do sukcesu rynkowego wielu urządzeń cyfrowych, w szczególności tych realizowanych w technologii układów programowalnych przez użytkownika PLD/FPGA.

---

Zalety struktur FPGA to przede wszystkim elastyczność architektury (równoległość przetwarzania i dowolna szerokość ścieżki danych), wielokrotne użycie tych samych zasobów sprzętowych oraz rekonfigurowalność. Wady to niedoskonałość narzędzi projektowania oraz trudny proces uczenia się języka HDL.

---

Jak już mówiliśmy, tworzenie modelu układu cyfrowego w języku HDL bardziej przypomina pisanie programów komputerowych niż tradycyjne projektowanie polegające na syntezie strukturalnej. Tym samym synteza układów cyfrowych za pomocą komputerowych narzędzi projektowania jest złożonym procesem, którego procedury obejmują: a) specyfikację układu w języku HDL, b) syntezę funkcjonalną, c) syntezę i optymalizację logiczną, d) odwzorowanie technologiczne, e) syntezę fizyczną lub programowanie układu.

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---

---