Программируемые пользователем вентильные матрицы.
Программируемы пользователем матрицы логических элементов (ППМЛЭ, FPGA) представляют собой матрицу реконфигурируемых элементов. С использованием специального программного обеспечения пользователь может описать свой проект на языке описания аппаратуры или в виде схемы, а затем реализовать его в FPGA. В ряде отношений матрицы FPGA мощнее и гибче, чем ПЛМ.
В FPGA возможно реализовать как комбинационные, так и последовательностные схемы. В них можно реализовывать многоуровневые логические схемы, тогда как в ПЛМ могут быть реализованы только двухуровневые схемы. В современные FPGA интегрированы другие полезные узлы, такие как умножители, высокоскоростные устройства ввода/вывода, ЦАП, АЦП, большие ОЗУ и процессоры.
FPGA представляет собой матрицу конфигурируемых логических элементов (logic elements, ЛЭ, LE), которые также называются конфигурируемыми логическими блоками (configurable logic blocks, КЛБ,CLB). Каждый ЛЭ можно сконфигурировать для выполнения функций некторой комбинационной или последовательностной схемы. На Рис. 5.57 приведена обобщенная структура FPGA. ЛЭ окружены элементами ввода/вывода (input/output elements, IOE, ЭВВ), которые предназначены для организации обмена информацией между FPGA и прочими компонентами системы. Элементы ввода/вывода соединяют входы и выходы логических элементов с контактами корпуса микросхемы. Логические элементы могут быть соединены между собой и с элементами ввода/вывода с помощью программируемых каналов трассировки.
Основными компонентами логического элемента является четырехвходовая таблица преобразования (LUT*) и однобитовый регистр. Логический элемент также содержит конфигурируемые мультиплексоры, предназначенные для коммутации сигналов в логическом элементе. При программировании FPGA устанавливается содержимое таблиц преобразования (LUT) и определяются входные сигналы мультиплексоров, которые проходят на их выходы.
*Аббревиатура LUT расшифровывается как Look-Up Table или просто Lookup Table, что дословно можно перевести как "справочная таблица" или "таблица поиска". LUT – это больше, чем таблица, LUT – это скорее метод реализации функции, в котором непосредственное вычисление заменяется поиском по таблице готовых решений. Применительно к ПЛИС это позволяет реализовать любую логическую функцию в виде памяти SRAM, где адрес – это аргумент, а содержимое ячейки – значение.
Система на кристалле.
Система на кристалле — это сверхбольшая интегральная схема (СБИС), интегрирующая на кристалле различные функциональные блоки, которые образуют законченное изделие для автономного применения в электронной аппаратуре.
Система на кристалле может включать как цифровые, так и аналоговые блоки. Основным цифровым блоком обычно является процессор, выполняющий программную обработку цифровых данных. Специализированные блоки обработки обеспечивают аппаратное выполнение функций, специфических для данной системы. Это могут быть, например, блоки цифровой обработки сигналов (DSP), аналоговые схемы, преобразователи потоков данных и др. устройства. Различные типы модулей памяти (SRAM, DRAM, ROM, EEPROM, Flash) могут входить в состав СнК или подключаться к ней как внешние блоки. Таймеры, АЦП и ЦАП. Интерфейс с внешними устройствами обеспечивается с помощью параллельных и последовательных портов, различных шинных и коммуникационных контроллеров и других интерфейсных блоков, в т.ч. аналоговых. Состав блоков, интегрируемых в конкретной СнК, варьируется в зависимости от ее функционального назначения. Организация связей между блоками системы также может быть различной: возможно использование различных стандартизованных шин или специализированных локальных интерфейсов.
Есть две принципиально разные технологии создания СнК:
Первая - в виде СБИС с заданными параметрами и возможностями (ASIC).
Вторая – высокоинтегрированная ПЛИС, присущая FPGA. Здесь первопроходцами являются компании Xilinx и Altera.
Если между собой ПЛИС различаются способом хранения конфигурации, то системы на кристаллах различаются составом компонентов, которые входят в конкретную систему. Это может быть:
Инструменты обработки цифровой информации – микропроцессоры, микроконтроллеры, DSP;
Устройства памяти – оперативной, постоянной или накопительной;
Программируемые логические матрицы и программируемые аналоговые блоки. Последние включаются в аналого-цифровые SoC;
Источники опорной частоты;
Таймеры и счётчики;
Инструменты реализации стандартных интерфейсов, что позволяет подключать к системе внешние устройства;
Инструменты ЦАП и АЦП;
Регуляторы и стабилизаторы напряжения.
