В статье авторы приводят анализ актуальной и перспективной элементной базы для использования в системах управления и связи.

Ключевые слова: элементная база, ПЛИС, FPGA.

В настоящее время системы управления и связи (СУС) реализуются на основе технических систем.

Под управлением понимается совокупность операций по организации некоторого процесса. Приведем некоторые определения, характеризующие различные аспекты этого понятия.

Система с управлением включает три подсистемы (рис. 1): управляющую систему (УС), объект управления (ОУ) В и систему связи (СС) [1].

Рис. 1. Система с управлением

Системы с управлением, или целенаправленные, называются кибернетическими. К ним относятся технические, биологические, организационные, социальные, экономические системы.

Управляющая система совместно с системой связи образует систему управления (СУ) А.

Система связи включает канал прямой связи, по которому передается входная информация — множество {х}, включающее командную информацию {u}, канал обратной связи, по которому передается информация о состоянии ОУ — множество выходной информации {у}.

Множества переменных {n} и {w} обозначают соответственно воздействие окружающей среды (различного рода помехи) и показатели, характеризующие качество и эффективность функционирования объекта управления (подсистемы В).

В качестве ОУ в области инфокоммуникаций могут выступать и отдельные средства связи и система связи в целом.

В современных условиях системы управления и связи строятся на основе вычислительных устройств с программной логикой работы.

В настоящее время наиболее широко используются следующие подходы к построению СУС.

1. Базовые матричные кристаллы (БМК), программируемые на заводе [2].
2. ASIC — выполняются малыми партиями под специальные задачи и значительно дороже ПЛИС [3].
3. Специализированные ЭВМ, программно-реализующие алгоритмы и поэтому медленнее аппаратной реализации в ПЛИС [4].
4. Цифровые устройства и системы, реализованные по принципу «жесткой логики».
5. Программируемая логическая интегральная схема ПЛИС —используется для конфигурирования электронных схем. При этом логика работы ПЛИС определяется путем программирования с помощью программатора и отладочной среды. [5].

Рассмотрим некоторые из перечисленных компонентов подробнее.

Базовый матричный кристалл (БМК) — большая интегральная схема. В отличие от ПЛИС формируется физически, путём нанесения маски соединений, разрабатываемой заказчиком, последнего слоя металлизации.

В результате конечная БИС несколько дороже начального БМК.

В настоящее время БМК в большинстве применений вытеснены ПЛИС.

Изготовление конкретной БИС на БМК осуществляется путем коммутации КМОП-транзисторов с помощью однослойной или многослойной разводки.

Областью применения БМК являются изделия с относительно небольшим объемом производства. Использование БИС на БМК обеспечивает значительное уменьшение габаритов и энергопотребления, повышает надежность изделий, резко сокращает номенклатуру применяемых микросхем (одна БИС заменяет 20–500 микросхем средней степени интеграции).

ASIC (интегральная схема специального назначения) — предназначена для решения конкретной задачи в конкретном устройстве и выполняют заранее назначенные функции данного устройства, что позволяет выполнять эти функции быстрее и дешевле. Примером ASIC может являться микросхема, разработанная только для кодирования в клавиатуре, для мобильного телефона и сигнального процессора.

Иногда современные ASIC называют однокристальной системой, если они содержать мощные процессоры, основную память и пр.

При разработке цифровых ASIC для описания их функциональности используют языки описания аппаратных устройств (HDL), такие как Verilog и VHDL.

Ключевой проблемой перед разработчиком является выбор между аппаратной и программной реализацией алгоритма функционирования устройства. В первом случае мы имеем высокую производительность и высокую стоимость разработки. Во втором случае заказчик получает недорогую систему с низкой производительностью.

Компромиссом в этой дилемме являются — ПЛИС, которые могут быть перепрограммированы даже в ходе функционирования.

Особенностью ПЛИС является то, что и функции блоков, и конфигурация соединений между ними могут меняться с помощью специальных сигналов, посылаемых схеме.

Благодаря своим особенностям ПЛИС широко применяют в сложных пилотных образцах и проектах, в том числе в коммуникационном и сетевом оборудовании.

Эксперты считают, что рынок FPGA будет уступать с одной стороны — сверху интегрированным решениям типа system-on-chip, а с другой стороны — снизу — полузаказным микросхемам.

В нейровычислениях преимущества специальных процессоров и программируемых матриц очевидны. Однако эта область пока ещё недостаточно востребована рынком.

К началу второго тысячелетия появились высокопроизводительные ПЛИС, которые содержат миллионы вентилей. Некоторые из них содержат встроенные микропроцессорные ядра, высокоскоростные интерфейсы ввода/вывода и другие устройства [6].

В настоящее время ПЛИС заполняют несколько крупных сегмента рынка: заказные интегральные схемы, цифровая обработка сигналов, системы на основе встраиваемых микроконтроллеров. Кроме того, с появлением ПЛИС возник новый сектор рынка — системы с перестраиваемой архитектурой, или reconfigurable computing (RC).

Литература:

1. Е. Несс Р. Ежегодное исследование рынка встраиваемых систем // Электронные компоненты. 2007. № 11. С. 69–77.
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Базовый_матричный_кристалл.
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Интегральная_схема_специального_назначения
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Специализированная_вычислительная_машина
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/ПЛИС#Этапы_проектирования
6. Чепрасова, А. С. Будущее и настоящее СБИС / А. С. Чепрасова, Ю. В. Мамелин. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 17 (121). — С. 79–81. — URL: https://moluch.ru/archive/121/33559/.