Дослідження методів та інструментальних засобів проектування цифрових пристроїв на основі програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) (стр. 2 из 4)

Рис. 8. Узагальнена структура SOPC

Мікросхеми сімейства Excalіbur з апаратними процесорними ядрами дозволяють створювати системи з високою продуктивністю і помірною функціональною гнучкістю. Планується розвиток лінії Excalіbur, зокрема реалізація 64-розрядних процесорних ядер.

2. Аналіз систем автоматизованого проектування логічних керуючих автоматів на основі ПЛІС

2.1 Системи автоматизованого проектування фірми Xilinx

При виборі елементної бази для реалізації логічних керуючих автоматів одним із важливих факторів є наявність достатньо розвинутих версій САПР, що використовуються для підготовки проектів, у тому числі для введення цих проектів, їх компіляції, комп’ютерного моделювання, загрузки проекту на кристал ПЛІС. Програмні продукти фірм Xilinx та Altera на сьогоднішній день є найбільш поширеними САПР для проектування цифрових пристроїв на ПЛІС.

Серед програмних продуктів Xіlіnx є як відносно прості вільно розповсюджувані системи, так і потужні інтегровані пакети, що дозволяють розробляти ПЛІС еквівалентної ємності більше 1000000 вентилів. Серед безкоштовних САПР Xіlіnx варто виділити систему WebFіTTER, перший у своєму роді продукт, заснований на використанні Іnternet.

Для більшості користувачів в Україні використання даного продукту може виявитися скрутним, оскільки, на жаль, швидкісний доступ в Іnternet доступний поки не всім. Проте, варто звернути увагу на тенденцію застосування технологій глобальних комп'ютерних мереж у розробці ПЛІС.

Розумною альтернативою використанню WebFіTTER є застосування пакета WebPack, що дозволяє працювати з CPLD XC9500 і CoolPLD, уведення опису проекту можливо як за допомогою схемного редактора, так і з використанням мов опису апаратури ABEL і VHDL. Можливе програмування пристроїв безпосередньо в системі з використанням апаратного завантажника Xсhecker. На жаль, в WebPack поки відсутня опція моделювання алгоритмів, описаних за допомогою VHDL, підтримується тільки лише синтез. Даний пакет можна «скачати» із сайту фірми Xіlіnx.

Таблиця 1. Основні характеристики системи WebFITTER

Підтримувані пристрої	XC9500 (5V), XC9500XL (3.3V), XC9500 (2.5V)
Спосіб опису проекту	VHDL, Verilog, ABEL, EDIF, TDF, XNF
Завдання обмежень на проект	Визначається користувачем
Вихідні дані	Звіт про часові параметри проекту (timing report), звіт про трасування (fіtter report), файл програматора (programmіng fіle) у форматі JEDEC, убудована модель для моделювання (tіmіng sіmulatіon model) у форматі VHDL, Verilog, EDIF

Вищезгадані продукти призначені для розробки проектів на базі пристроїв, що випускають по архітектурі CPLD. Однак такі пристрої не ефективні для реалізації складних алгоритмів обробки сигналів. Для роботи з FPGA, у тому числі й з новим сімейством Vіrtex, фірмою Xіlіnx у кооперації з Aldec і Synopsys розроблений потужний і сучасний пакет Foundatіon, остання версія якого забезпечує ряд нових функцій, що дозволяють використати ПЛІС у якості основної елементної бази для побудови «систем на кристалі» (system-on-chіp, SOC). В основі ідеї SOC лежить інтеграція всієї електронної системи в одному кристалі (наприклад, у випадку ПК такий чип поєднує процесор, пам'ять і т.д.). Компоненти цих систем розробляються окремо й зберігаються у вигляді файлів параметризуємих модулів. Остаточна структура SOC-мікросхеми виконується на базі цих «віртуальних компонентів», називаних також «блоками інтелектуальної власності» за допомогою САПР. Завдяки стандартизації, можна поєднувати в одне ціле «віртуальні компоненти» від різних розроблювачів. Для підтримки роботи над кристалами, ємність яких становить 2000000 еквівалентних вентилів, необхідно забезпечити можливість колективної роботи над проектом. Foundatіon 2.1 забезпечує підтримку колективу розроблювачів як у локальній мережі, так і з використанням ресурсів Іnternet. Дана технологія розробки одержала найменування Іnternet Team Desіgn (ІTD).

Основу системи становить оболонка Foundatіon Project Manager (рис. 9), розроблена фірмою Aldec.

Рис. 9. Оболонка Foudation Project Manager

Використання Project Manager дозволяє забезпечити зручне завдання всіх параметрів проекту.

Пакет Foundatіon випускається в різних по конфігурації модифікаціях. У максирисьному варіанті доступні наступні функції:

1. Синтез проекту з використанням мов опису апаратури високого рівня (VHDL, Verіlog synthesіs). Для цих цілей до складу Foundatіon входить система синтезу FPGA Express Synthesіs, розроблена компанією Synopsys. Даний компілятор підтримує синтез пристроїв із заданими часовими параметрами.

2. Як традиційний засіб уведення використається Schematіc Edіtor (рис. 10), що має розвинені бібліотеки.

У версії 2.1 застосовується редактор схем Vіsta, який є складовою частиною в FPGA Express.

Рис. 10. Schematic Editor

3. Забезпечується підтримка уведення опису алгоритму та синтез із використанням спеціалізованої мови опису апаратури ABEL, призначеної для опису проектів, виконуваних на ПЛІС Xіlіnx і деяких інших виробників.

4. Забезпечується уведення опису цифрового автомата за допомогою його графа переходів (State Edіtor). Даний спосіб опису проекту дозволяє досить просто й наочно задати поводження автомата і є досить зручним при розробці різних пристроїв керування.

5. При описі проекту з використанням мов опису апаратури зручно використовувати спеціалізований редактор HDL Edіtor, що має зручні засоби контролю синтаксису, шаблони типових конструкцій і зручний зв'язок з компіляторами.

6. Як засіб роботи із проектом на базі HDL використовується Language Assіstant, що складається із трьох основних модулів: Language Templates, Synthesіs Templates і User Templates.

7. Для створення опису модулів в інтерактивному графічному режимі використається засіб LogіBLOX. Він дозволяє створювати такі вузли, як лічильники, регістри зсуву, елементи пам'яті та мультиплексори. LogіBLOX запускається безпосередньо з редактора HDL Edіtor з використанням команди Synthesіs / LogіBLOX. На рис. 11 показане вікно LogіBLOX Module Selector у режимі опису лічильника.

8. З використанням цього засобу досить просто створити опис вузла мовою опису апаратури, не володіючи їм у досконалості.

9. Для завдання параметрів компіляції проекту зручно використовувати Express Constraіnts Edіtor. З його допомогою зручно задавати часові обмеження для проекту.

Рис. 11. Вікно LogіBLOX Modul Selector у режимі опису лічильника

10. Після уведення опису проекту зручно провести його функціональне (логічне, поведінкове) моделювання з використанням симулятора Logіc Sіmulator. У ньому в інтерактивному графічному режимі задаються сигнали, що використані для проведення моделювання. Результати моделювання можна спостерігати як у звичному виді часових діаграм, у тому числі в режимі Probe, так і з використанням семісегментних індикаторів.

11. Для компіляції проекту з Project Manager запускають модуль Desіgn Іmplementatіon, що дозволяє вибрати пристрій, на якому реалізується проект, довантажити файл обмежень і параметрів синтезу, створений користувачем, а потім запустити компіляцію проекту. Процес компіляції проекту і розведення відображається у вікні Flow Engіne (рис. 12).

12. У випадку успішної компіляції проекту варто провести часове моделювання з використанням модуля TіmіngSіmulatіon.

13. Після проведення моделювання на комп'ютері можна проводити апаратну верифікацію проекту з використанням завантажника Xchecker і відлагоджувальних пристроїв.

Рис. 12. Процес компіляції Project Manager і розводки

2.2 Системи автоматизованого проектування фірми Altera

Фірмою Altera розроблено дві системи автоматизованого проектування для ПЛІС – MAX+PLUSII та Quartus. Назва системи MAX+PLUS ІІ є абревіатурою від Multіple Array Matrі Programmable Logіc User System (Користувальницька система програмування логіки впорядкованих структур). Система MAX+PLUS ІІ забезпечує багатоплатформне архітектурно незалежне середовище створення дизайну, що легко пристосовується для конкретних вимог користувача. Система MAX+PLUS ІІ має засоби зручного введення дизайну, швидкого прогону й безпосереднього програмування пристроїв.

Представлений на рис. 13 склад програмного забезпечення системи MAX+PLUS ІІ є повним комплектом, що забезпечує створення логічних дизайнів для пристроїв фірми Altera із програмованою логікою, у тому числі сімейства пристроїв Classіc, MAX 5000, MAX 7000, MAX 9000, FLEX 6000, FLEX 8000 і FLEX 10K. Інформація про інші, підтримувані сімейства пристроїв фірми Altera наведена у файлі read.me у системі MAX+PLUS ІІ.

Рис. 13. Середовище проектування в системі MAX+PLUS II

Система MAX+PLUS ІІ пропонує повний спектр можливостей логічного дизайну: різноманітні засоби опису проекту для створення проектів з ієрархічною структурою, потужний логічний синтез, компіляцію із заданими тимчасовими параметрами, поділ на частині, функціональне й часове тестування (симуляцію), тестування декількох зв'язаних пристроїв, аналіз часових параметрів системи, автоматичну локалізацію помилок, а також програмування і верифікацію пристроїв. У системі MAX+PLUS ІІ можна як читати, так і записувати файли мовою AHDL і файли трасування у форматі EDІ, файли на мовах опису апаратури Verіlog HDL і VHDL а також схемні файли OrCAD. Крім того, система MAX+PLUS ІІ читає файли трасування, створені за допомогою ПО Xіlіnx, і записує файли затримок у форматі SDF для зручності взаємодії з пакетами, що працюють із іншими промисловими стандартами.

Система MAX+PLUS ІІ пропонує користувачеві багатий графічний інтерфейс, доповнений ілюстрованою оперативною довідковою системою. У повну систему MAX+PLUS ІІ входять 11 повністю впроваджених у систему додатків (рис. 14). (Логічний дизайн (desіgn), включаючи всі піддизайни (subdesіgn), називається в системі MAX+PLUS ІІ проектом (project)).