По истории информатики на тему (стр. 1 из 3)
Санкт Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики
Реферат
По истории информатики на тему
“История развития ПЛИС”
| Аспирант: | Юхта П.В. |
| Специальность: | 05.13.05 |
Санкт-Петербург
2009 г.
Оглавление
4. Программируемые системы на кристалле Cypress PSoC.. 10
Приборы программируемой логики, яркими представителями которых являются ПЛИС (Программируемые Логические Интегральные Схемы) применяются на протяжении нескольких десятилетий для построения разнообразных интерфейсных узлов, устройств управления и контроля и т.д. Однако, если еще 10 лет назад ПЛИС занимали весьма скромную нишу на рынке электронных компонентов - (в первую очередь из-за небольшого быстродействия и малого количества эквивалентных логических вентилей), то сейчас ситуация изменилась кардинально. Раньше о ПЛИС говорили, в основном, как об «игрушках», недостойных внимания серьезных разработчиков, но с появлением быстродействующих ПЛИС сверхвысокой интеграции, работающих на высоких тактовых частотах, их ниша на мировом рынке значительно расширилась. Современные образцы ПЛИС, выполненные по 0,04-микронной технологии, способны работать на частотах до 600 МГц и реализуют до 4 млн. логических ячеек. Столь резкое увеличение мощности ПЛИС позволяет использовать их не только для реализации простых контроллеров и интерфейсных узлов, но и для цифровой обработки сигналов, сложных интеллектуальных контроллеров и нейрочипов. Появление быстродействующих ПЛИС со сверхнизким уровнем энергопотребления открывает широкие возможности по их использованию в системах мобильной связи (в частности, непосредственно в сотовых телефонах и пейджерах), в портативных проигрывателях (например, в МР3-проигрывателях) и т.д.
История развития программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) начинается с появления в начале 70-х годов программируемых постоянных запоминающих устройств (ППЗУ - Programmable Read Only Memory - PROM). Первое время PROM использовались исключительно для хранения данных, позже их стали применять для реализации логических функций. Однако необходимость приведения логических функций к совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ) не позволяло применять PROM для реализации функций больших размеров.
Первые программируемые логические устройства создавались на основе технологии биполярных программируемых ПЗУ с дополнительными логическими возможностями и свойствами. Пробудить интерес к программируемой логике сумела фирма Signetics, выпустившая в 1972 году биполярную микросхему программируемой логической матрицы типа 82S100. Совершенствование архитектуры привело к созданию фирмой Monolithic Memories Inc. (MMI) в 1975–1976 годах микросхем программируемой матричной логики (PAL), монтируемых в 20- и 24-выводные корпуса и способных заменить до 20 имевшихся в продаже логических вентилей. Одновременно с PAL-микросхемами компания MMI предложила и простой язык программирования – PALASM, позволивший достаточно легко преобразовывать логические уравнения в битовую конфигурацию. Хотя сегодня компании MMI уже нет, ее разработки легли в основу современной агрессивной технологии, пригодной для масштабирования элементов ПЛИС и увеличения их быстродействия. Выпущенная в 1979 году компанией Advanced Micro Devices (AMD) микросхема типа 22V10, в которой использовалось встроенное СППЗУ с программируемыми УФ-излучением ячейками памяти, стала основной и на протяжении нескольких последующих лет воспроизводилась многими поставщиками ПЛИС. А в 1984-м фирма Altera выпустила первую микросхему CPLD на основе УФ-программируемого СППЗУ, содержащую 300 вентилей. В 1985-м Xilinx предложила хранить конфигурационные данные в ячейках СОЗУ, что позволило изменять логику путем корректировки данных, записанных в ячейки памяти. Микросхема ПЛИС типа ХС2010 этой компании, содержавшая ~2 тыс. вентилей, положила начало широко распространенным сегодня FPGA. Но и FPGA на основе СОЗУ не единственные конфигурируемые устройства, предлагаемые разработчикам. Во второй половине 90-х годов компания Gatefield, приобретенная в 2000 году фирмой Actel, создала FPGA на базе флэш-технологии. И уже сегодня логическая емкость микросхем ПЛИС с конфигурационной флэш-памятью превышает 1 млн вентилей.
К классу программируемых логических приборов относятся простые и сложные ПЛИС (SPLD и CPLD, соответственно), а также программируемые пользователем базовые матричные кристаллы (FPGA) и программируемые системы на кристалле, PSoC.
Рисунок 1. Одна из классификаций ПЛИС
Сегодня, некоторые производители ПЛИС предлагают процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, и затем встроены в ПЛИС, тем самым уменьшить место на печатной плате и упростив разработку для самой ПЛИС.
CPLD – это комбинация полностью программируемых матриц вентилей И/ИЛИ и банка макроячеек (МЯ). МЯ образуют функциональные блоки, выполняющие различные комбинаторные или последовательные логические функции. Для получения достаточно высокого быстродействия в CPLD традиционно применялся аналоговый усилитель считывания, но при этом существенно возрастала потребляемая мощность. В CPLD семейства CoolRunner-II компания Xilinx отказалась от биполярного усилителя, создав полностью цифровое ядро, и сумела добиться высокой производительности при низкой потребляемой мощности. К тому же это облегчило масштабирование архитектуры и тем самым позволило существенно снизить стоимость CPLD-микросхем и успешно совершенствовать характеристики каждого нового их поколения.
Современные CPLD содержат несколько логических блоков (ЛБ), в каждый из которых могут входить до 2000 МЯ на основе программируемых логических матриц (PAL) или простых ПЛИС (SPLD). Каждая МЯ с большой нагрузочной способностью по входу обеспечивает выполнение комбинаторной логики, которая в зависимости от сложности ПЛИС поддерживает от четырех до 16 логических произведений – термов. Поскольку каждый ЛБ выполняет определенную функцию, все МЯ такого блока полностью объединены, тогда как сами ЛБ соединяются друг с другом трассировочной матрицей в зависимости от применения микросхемы. В результате 100%-ного использования имеющихся логических блоков добиться нельзя.
Основными производителями микросхем CPLD являются:
Altera
На протяжении многих лет компания практически не изменяла архитектуру микросхем ведущего семейства CPLD – MAX 7000 (появилась в 1993), добиваясь увеличения быстродействия и числа логических МЯ, а также снижения рабочего напряжения и потребляемой мощности лишь за счет совершенствования методов изготовления и уменьшения размеров элементов схемы. Пожалуй, самое существенное изменение в архитектуре микросхем компании за последние годы – введение внутрисхемного программирования, начиная с серий микросхем на напряжение питания 5 В и меньше. К достоинствам своих CPLD компания относит и технику многовольтного ввода/вывода (MultiVolt I/O), позволяющую подавать на выход и принимать на входе сигналы с уровнем напряжения ниже или выше рабочего напряжения ядра и не требующую применения связующей логики.
Выпущенные компанией Altera в начале 2004 года после почти 15-летнего затишья в разработке новых архитектурных решений дешевые CPLD-микросхемы семейства MAX II следует рассматривать как важный шаг на пути развития этой технологии. При разработке микросхем семейства MAX II компания поставила перед собой цель достичь малой динамической мощности, высокой плотности упаковки элементов, высокого быстродействия, энергонезависимости конфигурационной памяти, низкой стоимости и привычной для разработчиков систем на ПЛИС среды проектирования. При построении архитектуры новой микросхемы компания приняла неожиданное решение: традиционно используемые в CPLD МЯ на основе программируемой матричной логики заменить присущими FPGA таблицами соответствия (LUT). В сравнении с обычными CPLD новая микросхема характеризуется большей плотностью упаковки, меньшей динамической мощностью и более высокой производительностью.
Появление нового семейства CPLD, очевидно, свидетельствует о решении компании вернуться к изделиям, которые собственно и "сделали" ее, и вложить серьезные технические средства в развитие ПЛИС этого типа. На основе проявленного интереса потребителей к микросхемам нового семейства Altera прогнозирует существенный рост продаж CPLD, которые в конечном итоге могут возрасти с современного уровня в ~500 млн. долл. до 2 млрд. долл. ежегодно. А это значит, что CPLD будут успешно конкурировать с ПЛИС на пережигаемых перемычках и FPGA с энергонезависимой памятью. Правда, вряд ли компания пойдет на "поедание" доли рынка собственных FPGA семейства Cyclone.
Рисунок 2. Пример макроячейки семейства MAX II
Atmel
Компания Atmel выпускает как микросхемы промышленного стандарта, так и микросхемы, полностью совместимые сверху вниз с популярными ПЛИС PAL- и CPLD-типов. Микросхемы компании серии ATF1500 на основе ЭСРПЗУ с 32–512 МЯ совместимы по выводам с CPLD МAX 7000 фирмы Altera при расширенных функциональных возможностях и высокой гибкости. Принятая компанией технология Logic Doubling (удвоения логики) позволяет увеличить число входов макроячейки и соответственно подаваемых термов с пяти до 40, поддерживать многочисленные независимые цепи обратной связи, раздельное разрешение вывода данных, конфигурируемые D/T-триггеры и триггеры-защелки, а также реализовать опциональный режим защелки для триггеров МЯ. Все это, по утверждению разработчиков, позволило расширить ресурсы микросхемы на 200% и тем самым обеспечить реализацию проектов, не "умещающихся" на ПЛИС конкурентов с аналогичным числом МЯ. Напряжение питания составляет 3,3 или 5 В. Микросхемы допускают 10 тыс. циклов программирования при гарантированном сроке хранения запрограммированной конфигурации не менее 20 лет.