В данной статье автор пытается донести до читателя, что такое программируемые логические интегральные схемы и проанализировать области их применения и перспективы развития.
Ключевые слова: ПЛИС, схема, цифровая электроника, цифровая обработка, матрица.
Первой предпосылкой к появлению программируемых логических интегральных схем стало появление первых постоянных запоминающих устройств в 70-х годах прошлого столетия.После этого в истории микроэлектроники осуществляется планомерное развитие устройств с программируемой логикой как вычислительных устройств, применимых для решения обширного круга задач цифровой обработки информации.
Наиболее яркий след в развитии цифровых вычислительных устройств оказало появление первых микропроцессоров. Данное событие открыло двери широкому применению цифровых технологий обработки информации.
Однако микропроцессоры не всегда актуальны при решении задач в цифровой схемотехнике: принцип работы микропроцессора основан на микропрограмме и представляет собой последовательность шагов конечной длительности, в то время как для многих задач требуются устройства, у которых задержка при выполнении логических функций будет минимальной.
Наиболее удобным способом решения данных задач и являются логические программируемые интегральные схемы (ПЛИС).
Программируемая логическая интегральная схема — электронный компонент, предназначенный для создания цифровых интегральных схем. Принципиальное отличие ПЛИС от обычных цифровых микросхем, заключается в том, что логика работы ПЛИС, задаётся посредством программирования, а не определяется при изготовлении.
На данный момент лидерами в сфере программируемых логических интегральных схем являются три фирмы: Xilinx, Inc, компания Actel Corporation и фирма Altera Corporation. На долю этих трех гигантов приходится львиная доля рынка ПЛИС.
Рис. 1. ПЛИС «Циклон 5» фирмы Altera
При программировании на ПЛИС можно задавать разную структуру цифрового устройства. Цифровое устройство можно задать в виде программы на специальных языках описания аппаратуры или в качестве принципиальной электрической схемы. В качестве языков описания аппаратуры используются например: Verilog, VHDL, AHDL.
Программируемые логические интегральные схемы — являются одним из наиболее перспективных и динамично развивающихся сегментов цифровой схемотехники. ПЛИС является кристаллом, с расположенными на нем простыми логическими элементами, не соединенными между собой. Соединение данных логических элементов, то есть формирование электрической схемы, происходит благодаря электронным ключам, которые расположены в этом же кристалле. Управление электронными ключами происходит посредством специальной памяти. Принцип работы специальной памяти заключается в помещении кода конфигурации цифровой схемы в её ячейки, и записав данные коды в память ПЛИС можно собрать цифровое устройство различной степени сложности и с необходимыми параметрами, а также с разным количеством элементов на кристалле. Одним из отличий ПЛИС от микропроцессоров заключается в том, что алгоритмы цифровой обработки можно организовать на аппаратном уровне. В данном случае быстродействие цифровой обработки увеличиться.
Разберем классификацию ПЛИС по структуре. Основным критерием данной классификации является наличие логических матриц, а также их вид и способ коммутации. Согласно данной классификации выделяют следующие классы ПЛИС:
– Программируемые логические матрицы — самый ранний тип ПЛИС, появившийся в 70-е года прошлого века, в котором и матрицы «И», и матрицы «ИЛИ» являются программируемыми.
– Программируемая матричная логика — это тип ПЛИС, имеющих программируемую матрицу «И» и фиксированную матрицу «ИЛИ».
– Программируемая макрологика — это ПЛИС, в которых есть одна программируемая матрица «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ», при этом способные формировать сложные логические функции благодаря инверсным обратным связям.
– Программируемые коммутируемые матричные блоки — ПЛИС, которые содержат, объединенные коммутационной матрицей, матричные логические блоки, обычно в количестве 4–8 штук.
– Программируемые вентильные матрицы — состоят из логических блоков, включающие в свой состав несколько более простых логических элементов, на базе таблицы перекодировки, программируемого мультиплексора, D-триггера, цепи управления. А также коммутирующих путей — программируемых матриц соединений.
Программируемые логические интегральные схемы являются более совершенными нежели обычные цифровые микросхемы и микропроцессоры, и поэтому обладает целым рядом преимуществ, такими как: минимальное время разработки схемы, так как требуется всего лишь занести в память ПЛИС конфигурационный код, возможность быстрого изменения в цифровой схеме, отсутствие потребности в разработке и изготовлении сложных печатных плат, а также в сложном технологическом производстве и оборудовании. ПЛИС конфигурируется с помощью обычного персонального компьютера.
В качестве недостатка ПЛИС можно указать лишь их более высокую стоимость по сравнению с аналогами, такими как микропроцессоры и обычные цифровые микросхемы.
Основной сферой применения ПЛИС является создание цифровых устройств с различными возможностями и степенями сложности, например: устройств, требующих высокую скорость передачи данных, а также сложных устройств, требующих большое количество портов ввода-вывода. Устройств для выполнения цифровой обработки сигналов. Различных видов цифровой видеоаппаратуры и аудиоаппаратуры. Устройств, предназначенных для системы защиты информации, и для проектирования интегральных схем специального назначения. Коммутирующих устройств, задачей которых является обеспечения взаимодействия между системами с различной логикой и напряжением питания. Устройств, нашедших применение при обработке радиолокационной информации и моделировании квантовых вычислений. Также при помощи ПЛИС могут реализовываться нейрочипы.
В данное время программируемые логические интегральные схемы охватывают множество областей, в которых находят широкое применение.
Одной из таких областей является цифровая обработка сигналов. ПЛИС помогают разработчикам создавать цифровую электронную аппаратуру, принцип работы которых основан на реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов.
Свое применение ПЛИС нашли в сфере телекоммуникационного оборудования, в системе беспроводной связи и защиты информации, в области систем управления и сбора данных, а также цифровой аудиоаппаратуры и видеоаппаратуры.
Программируемые логические интегральные схемы — являются одной из наиболее перспективных и развивающихся областей электроники. Распространение ПЛИС будет только возрастать, так как они обладают рядом важных преимуществ перед аналогами, такими как: скорость передачи данных, упрощенное создание устройств на базе ПЛИС, оперативное преобразование одной конфигурации цифровой схемы в другую.
Еще одним аргументом в пользу логических программируемых интегральных схем является то, что ведущие производители ПЛИС предлагают свои встраиваемые в ПЛИС программные процессоры, адаптированные и модифицированные под конкретную задачу заказчика. Тем самым позволяя получить больше свободного места на печатной плате, увеличить быстродействие схемы, при упрощении ее проектирования.
В ходе данной статьи было рассмотрено, что такое программируемые логические интегральные схемы, их преимущества, области применения и перспективы. В результате чего можно сделать вывод, что данная область в будущем будет динамично развиваться, а ПЛИС будут захватывать новые рынки сбыта, вытесняя оттуда аналоги, за счет более высоких характеристик, снижающейся цены и адаптации изделий под конкретного заказчика.
Литература:
- Антонов А. П. Язык описания цифровых устройств. ALTERA HDL. Практический курс.-М.: ИП Радио Софт, 2002.- 224.
- Применение ПЛИС в цифровой схемотехнике. Владимир Поречный. 2004.
