Обобщённо внутреннее устройство ПЛИС можно разделить на три основных группы:

1. Массив из логических элементов (макроячеек, логических блоков).

2. Блоки входа-выхода (IO).

3. Линии связи между ними и устройство, которое управляет этими связями.

Однако такое структурирование очень обобщено, немного подробнее мы рассмотрим этот вопрос ниже.

Программируя вы соединяете элементы подобно тому как бы вы это делали, собирая из отдельных элементов устройство и соединяя их входы и выходы проводниками.

Главным отличием ПЛИС от микроконтроллеров является то, что в микроконтроллере вы не можете изменять внутренних связей между простейшими элементами, а в ПЛИС на основе прописывания связей основывается программирование и работа с ними.

Выбор микроконтроллеров происходит на основе множества критериев, таких как:

Быстродействие и тактовая частота;

Количество входов и выходов.

Другие функциональные особенности и периферии, типа поддержки линий связи и протоколов (I2C, one-wire, PWM-сигнал и прочее).

В зависимости от конкретного ПЛИС количество блоков может изменяться в широких пределах, соответственно изменяется и стоимость.

Микроконтроллер выполняет последовательно все операции, прописанные в его программе, в то время как блоки ПЛИС выполняют задачу параллельно и независимо друг от друга, поэтому сравнение этих устройств по тактовой частоте нецелесообразно. Слишком различается их принцип работы.

Виды

Актуальными на сегодняшний день являются два основных вида ПЛИС:

Внутренняя структура строится на матрице макроячеек или логических блоков, а количество элементов в них лежит в пределах сотен и тысяч штук. Благодаря относительной простоте стоят дешевле чем следующий вид программируемой логики. Всё это приводит к тому, что используется CPLD в основном в схемах, где нужна высокая скорость и большое число выводов, при этом выполняют несложные задачи.

Прошивка, как правило, хранится во внешней энергонезависимой памяти. Кроме простейших логических элементов в FPGA могут содержаться готовые блоки для выполнения каких-либо операций, например, блоки обработки сигнала DSP. Всё это позволяет реализовать процессор, устройства обработки сигналов и другие сложные устройства.

Интересно:

Хотя фактически наличие энергонезависимой памяти не делает программируемую логику CPLD. Это частично заблуждение. Главным отличием CPLD от FPGA является внутренняя структура.

Подробнее внутреннее устройство CPLD изображено на рисунке ниже.

А примерная схема её макроячейки выглядит таким образом:

Макроячейка состоит из программируемых мультиплексоров, триггеров (одного или нескольких) и формирует группу выходных сигналов ФБ в нескольких их вариантах.

Ниже приведен еще один пример – блок-схема CPLD микросхемы семейства MAX II фирмы Altera.

И структурный план микросхем этого же семейства.

Промежуточные шины макроячейкам назначаются с помощью такого узла, как распределитель, на англ. он звучит как Logic Allocator, что изображено на схеме ниже, на ней же изображена матрица переключений (Global Routing Pool), а у выходных макроячейки (macrocells) имеют по две обратных связи.

Внешние выводы микросхемы соединяются с выходами макроячеек через еще один блок (матрицу) – ORP (Output Routing Pool), обратите внимание, что через неё же происходит соединение ВХОДНОЙ логики с GRP, что изображено на иллюстрации ниже.

В некоторых CPLD есть т.н. прямые входы (Direct Input) – они соединены со входами ячеек напрямую, что уменьшает задержки.

У FPGA структура имеет вид:

L – логический конфигурируемый блок;

S (substitution block) – блок подстановок, он получает на ход определенное число бит, преобразует, по определенному алгоритму, а на выходе выдаёт другое число бит. Другими словами – дешифратор, шифратор и коммутатор.

C (connection block) – блок соединений.

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Программирование

Разработчикам, которые работают с ПЛИС доступно графическое программирование. То есть вы можете просто рисовать логические схемы или комбинировать код с графикой. Последнее называют модульным методом разработки, когда конкретные модули прописываются, а верхний модуль, в котором всё объединяется программируется графическим способом.

Подборка полезных статей про микроконтроллеры:

Примеры популярных производителей и серий ПЛИС

На момент написания статьи наиболее известными являются изделия двух производителей.

Altera (основана в 1983 году);

Xilinx (Основана в 1984 году).

У Altera есть несколько основных серий программируемой логики:

Источник

Начинаем работать с FPGA или ПЛИС это просто. Часть 1

ВВЕДЕНИЕ

Из доступных бюджетных ПЛИС можно выделить двух основных производителей Altera и Xilinx, с их продукции можно начать свой путь освоения данных технологий. На мой взгляд лучше выбрать чипы компании Altera, так как их среда проектирования стабильно обновляется, а выбрав один популярный чип Xilinx XC3S500E вам придется довольствоваться устаревшей средой ISE 14.7 (хотя и там есть свои плюсы).

Разговор пойдет о более простых вещах, тем более ко мне в руки попал набор разработчика: Cyclone IV 4 FPGA Core Board и Altera USB Blaster Downloader PLD Development kit за 35$, приобретенный на AliExpress.

1 Демоплата Cyclone IV 4 FPGA Core Board, краткая характеристика

На плате (Рис. 1) установлен чип EP4CE6E22C8N, его характеристики:

На плате установлено:

В комплекте также идет программатор JTAG, Altera USB Blaster.

2. Среда Quartus II и наш первый проект

И жмем кнопку скачать (Download Selected Files). После чего нам предложат зарегистрироваться, регистрируемся, скачиваем и устанавливаем.

Создадим свой первый проект.

Жмем next, у нас спрашивают, пустой проект (empty project) или шаблон (Project template). Оставляем пустой, next. Дальше нас просят добавить существующие файлы, у нас ничего нет, поскольку мы только начинаем свой путь, жмем next.

Далее нам необходимо выбрать наш чип, это можно сделать в любое время. Выбираем как на рисунке, Family – Cyclone IV E, specific device selected in “Available devices” и выбираем наш чип EP4CE6E22C8N, он в самом начале. Если у вас другой, найдите свой, это важно. Жмем next.

В окне выбираем пункт «Unused pins». Эта настройка определяет, что будет с неподключенными пинами. Это может быть важно, в своем проекте вы вряд ли используете все пины, а не подключенные могут быть на деле соединены с землей или питанием (ну мало ли, кто разводил плату). Если вы подадите единичку на заземленный пин, то он сгорит, поэтому нужно внимательно следить за этим.

Далее нам нужно настроить пины, это нужно чтобы сигнал шел на нужные нам ножки чипа, ведь изначально Quartus не знает, что куда подключено и как именно осуществлена разводка платы.

Подключаем это все в «Assignment Editor»

В появившемся окне делаем как у меня, ну или если совсем правильно, то согласно схеме вашей платы.

В колонке «To» вписываем имя входа или выхода. В колонке «Assignment Name» выбираем «Location». В колонке «Value» номер контакта микросхемы, согласно схемы платы (у меня номера пинов написаны прямо на плате).

Также нужно указать, что делать с кнопками, которые одной ногой подключены к земле, а другой ко входу чипа. При нажатии на ноге будет низкий уровень, а вот без нажатия, непонятно, нога чипа будет просто висеть в воздухе, что очень плохо. Нужно подтянуть к питанию вход чипа либо резистором на плате, либо боле элегантным способом в «Assignments Editor». В колонке «Assignment Name» выбираем «Weak Pull Up resistor» для группы key* (группа обозначается через звездочку).

Далее нужно создать описание модуля верхнего уровня, который будет работать непосредственно с ножками чипа, все остальные модули будут работать только с ним. В главном меню жмем New, и выбираем «Design Files-> Block Diagram/Schematic File».

В открывшемся окне выбираем инструмент «Pin Tool» и располагаем вход и выход (пины ввода и вывода) на диаграмме. Переименовываем вход как key[0], выход как led[0] и соединяем их проводником. Сохраняем и нажимаем «Start Compilation».

После компиляции у нас возникли предупреждения, пока игнорируем их, они касаются неподключенных пинов, отсутствия тактового сигнала и описания для «Timing Analyzer».

Подключаем демоплату и программатор, выбираем инструмент «Programmer». В окне должно значиться «USB-Blaster [USB-..]», если нет то нажимаем «Hardware Setup» и пытаемся разобраться почему нет, скорее всего не установлены драйвера, смотрим в устройства Windows, ищем неопределенные устройства, может с кабелем проблема. Если все хорошо нажимаем «Auto Detect» и выбираем наш чип.

Нажимаем двойным щелчком мыши в поле «File» и выбираем файл для записи на ПЛИС (находиться в папке output_files нашего проекта), ставим галочку в поле «Program / Configure», и нажимаем кнопку «Start».

Поздравляю с первой конфигурацией ПЛИС! Диод D1 должен светиться, при нажатии key1 должен гаснуть (так как кнопка замыкает ножку с землей), далее мы с этим что-нибудь сделаем)

Источник

Технология FPGA для тысячи применений

Трудно представить другую технологию, которая настолько разносторонняя как FPGA.
FPGA — Field-Programmable Gate Array, то есть программируемая логическая матрица (ПЛМ), программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). Это технология, при которой создается микросхема с набором логических элементов, триггеров, иногда оперативной памяти и программируемых электрических связей между ними. При этом программирование FPGA оказывается похоже на разработку электрической схемы, а не программы. Пользуюсь данной технологией давно и попробую описать самые полезные с моей точки зрения применения по мере их усложнения.

1. Помощь при разводке плат

Многие наверняка сталкивались, что центральный процессор, память, другие многоногие микросхемы создавали люди, редко задумывающиеся о том, как они будут соединяться на печатной плате. Протянуть шину разрядностью 32 или 64 бита — задача не решаемая без многослойной платы. Но стоит поставить между микросхемами FPGA как разводка становится на несколько порядков проще:

2. Согласование уровней сигналов

Часть микросхем имеет интерфейс 1.2В, другая 1.5, 1.8, 2.5, 3.3В, и все эти микросхемы можно подключить к одной FPGA и обеспечить двусторонний обмен за счет того, что любая FPGA имеет несколько банков ввода-вывода, каждый из которых может иметь свое опорное напряжение сигналов. Например, так:

3. Обеспечение надежности устройства

FPGA достаточно дорогие, но надежные устройства. Они начинают включаться при меньшем напряжении, чем номинальное, выдерживают импульсные наводки, часто короткое замыкание на ножках IO, быстро загружаются и могут использоваться для контроля и управления процессорами и умной периферией. Плюс могут реализовывать вспомогательные функции коммутации, задержек, моргания светодиодом и так далее. Мне очень нравится использовать FPGA (маленький PLD) как умный сторожевой таймер и схема запуска — ни разу не подводил.

4. Автоматы состояний или аппаратное программирование

Если на процессоре сначала создается «исполнитель команд», то есть процессор, а потом в него загружается последовательность команд, то на FPGA можно писать программу с командами, вшитыми в структуру прошивки. При этом отсутствует избыточность процессора, появляется малое потребление при той же скорости и функциональности, гарантированное время выполнения и высокая надежность. Пример такого автомата состояний:

5. Создание процессора внутри FPGA

Считается, что каждый программист должен написать хотя бы один компилятор, а каждый инженер должен разработать хотя бы один процессор. Это очень интересный и важный процесс, позволяющий лучше понять как работают микропроцессоры, при этом можно оптимизировать под свои задачи систему команд, встраивать большое количество одновременно работающих процессоров в одну микросхему и получать настоящую многозадачность с низким энергопотреблением. При этом структура процессора проста и легко реализуема на FPGA:

Недостатком такого процессора является отсутствие готовых компиляторов и отладчиков.

6. Использование готовых библиотек процессоров для FPGA

Библиотеки готовых процессоров есть у любого производителя FPGA (от 8086 до ARM), позволяют быстро создать процессор с определенным набором периферии и вставить его в проект FPGA. К процессору прилагается компилятор и отладчик. Быстро, удобно, но избыточно и потому ограничено по быстродействию. Пример структуры готовой библиотеки процессора:

7. Объединять процессор и периферию в одной микросхеме — SoC (System-On-Chip)

SoC — достаточно новая технология, решающая самую страшную проблему инженера, необходимость протаскивать по плате много высокоскоростных интерфейсов, которых всегда оказывается недостаточно, и которые необходимо программно поддерживать. Технология SoC позволяет в одной микросхеме иметь полноценный центральный процессор (поддерживающий операционную систему Linux, например) или микроконтроллер и большую FPGA, соединенные логическими сигналами, общей внутренней памятью и интерфейсами к внешней. То есть проблема эффективной, простой и быстрой передачи информации между FPGA и процессором успешно решена! Пример структуры SoC:

Видно, что FPGA и HPS (Host Processor System, процессор) находятся внутри одной микросхемы и окружены программируемыми ножками ввода-вывода. Действительно это многофункциональная система на кристалле.

8. Модные приложения типа crypto mining

Вспоминая, что FPGA — это набор логических ячеек и триггеров, работающих параллельно, на FPGA можно проводить много параллельных операций, что отличает от процессора, параллельность которого ограничена количеством ядер и потоков. Поэтому можно использовать FPGA как сопроцессор к центральному процессору, вынося на FPGA все самые требовательные к вычислительной мощности операции. Например, центральный процессор занимается логической обработкой задачи, а FPGA параллельно вычисляет контрольные суммы, хэши, ищет совпадения, перебирает варианты и так далее. Быстродействие FPGA ограничено только количеством параллельных блоков и временем выполнения одной операции. Отладив таким образом вычисления можно заказать ASIC, то есть заказную микросхему, выполняющую те же функции, но дешевле (при массовом производстве) и с меньшим энергопотреблением. И данная идея оказалась настолько перспективной и удобной, что гиганты разработки FPGA начали создавать специальное ПО, позволяющее интерактивно переносить части вычислений из программы на C/C++ в FPGA и контролировать быстродействие (HLS, High-Level Synthesis). Есть готовые платы с быстрыми интерфейсами для этого и средства отладки. Очень интересная и перспективная тема для использования.

9. Реализация нейронных сетей на FPGA

Нейронные сети и глубокие нейронные сети сейчас активно используются в разных областях, но реализация их на процессоре оказывается неэффективной — существует много вычислений, которые можно распараллелить (нейроны одного слоя, например, вычисляются независимо).

Поэтому перенеся нейронную сеть на FPGA удается на много порядков ускорить работу нейронной сети, остается обеспечить высокоскоростной интерфейс для загрузки исходных данных и получения результата. В качестве примера — реализация системы распознавания лиц на процессоре i7/9Gen распознает до 20 лиц за секунду с одной видеокамеры HD, реализация на FPGA — порядка 1000 лиц с нескольких камер. Структура используемой глубокой нейронной сети:

Источник

Как начать разрабатывать железо, используя ПЛИС — пошаговая инструкция

Каким образом повысить количество российских инженеров, которые были бы знакомы и с разработкой хардвера, и с разработкой софтвера, и могли бы строить системы, в которых часть функциональности находится в специализированном железе, а часть — в программном обеспечении, с соблюдением баланса между ними?

Для этого вовсе не обязательно выбрасывать несуразные деньги а-ля сделка Сколкова и MIT.

Есть масса дешевых и эффективных мер по апгрейду российской образовательной системы. Одна из них — широко ввести практические классы ПЛИС / ППВМ / FPGA среди старших школьников и студентов. Это то, на чем учатся и инженеры, которые потом разрабатывают микросхемы внутри Apple iPhone в Купертино, Калифорния.

ПЛИС — Программируемая логическая интегральная схема
ППВМ — Программируемая пользователем вентильная матрица
FPGA — Field Programmable Gate Array

Так как ниже речь идет о платах, то у многих читателей тут же может возникнуть реакиция «а, это ардуино/raspberry pi/роботы — знаем!» Нет, это не ардуино, не имеет вообще никакого отношения к данному классу устройств. Еще раз повторяю: это не ардуино, потому что у ардуин стоит внутри основанный на микропроцессорном ядре микроконтроллер, а тут вообще никакого процессора нет — чистая матрица перепрограммируемых логических ячеек.

Пока американские школьники будут играться только с микроконтроллерами, российские школьники могут играться одновременно и с микроконтроллерами, и с FPGA, и тем самым получат технологическое преимущество за счет системного мышления — понимания и программирования, и принципов разработки хардверной логики одновременно.

Одной из проблем использования FPGA для образования российских тинейджеров является нехватка литературы на русском языке. Довольно скоро должен выйти русский перевод книжки Digital Design and Computer Architecture, Second Edition, by David Harris and Sarah Harris, и эта проблема будет частично решена. Но помимо литературы, описывающей схемотехнику и разработку хардвера на уровне регистровых обменов (Register Transfer Level — RTL) используя языки описания аппаратуры (Hardware Description Languages — HDL), есть и другая проблема — для новичка работа со студенческими платами нетривиальна, а программная среда для разработки — недружелюбна.

Поэтому я решил показать по шагам, как начать работать с одной из FPGA плат, которая удобна тем, что втыкается в макетную плату и может быть использована преподавателями кружков школьников наподобие тех, которые еще с 1970-х годов начинали введение в схемотехнику через микросхемы малой степени интеграции типа К155ЛА3 (TTL 7400, CMOS 4000). Втыкаемая в макетку FPGA плата является естественным продолжением таких курсов.

Вот так учили основам цифровой логики с начала 1970-х годов:

И вот к чему он может переходить после ознакомления школьников с базовыми понятиями логического элемента, триггера и сигнала тактовой частоты. Это то же самое, но на технологии 2010-х:

Дело в том, что внутри FPGA по сути находится конструктор из тысяч логических элементов наподобие элементов в K155ЛА3, но в FPGA их можно соединять не руками с помощью проводов, а меняя содержимое специальной памяти, биты которое соединены с мультиплексорами, которые меняют логические функции ячеек FPGA и соединения между ними:

Где достать платы, софтвер для разработки и необходимые плагины, я расскажу в конце, а сейчас погрузимся непосредственно в создание простой схемы с помощью бесплатной среды разработки Xilinx ISE WebPACK:

Входим и создаем новый проект:

Важно выбрать отдельную директорию для проекта и не смешивать его с вашими исходными файлами, ибо синтезатор генерирует много всяких временных файлов и вы в них можете запутаться (все их можно удалить после использования):

Вводим имя проекта. Это имя совпадает с именем главного модуля на Verilog-е (языке описания железа):

Вводим параметры FPGA: Family, Device, Package, Speed. Их нужно взять из документации по плате.

Добавляем исходные файлы на языке описания аппаратуры Verilog.

Файл top.v содержит описание схемы:

Теперь нажмем на кнопку «сгенерировать файл для программирования ПЛИС». Тут есть важный момент — «программирование» — это не софтверное софтверным программированием, которое сводится к созданию последовательности команд некоего процессора. Programming File в данном случае — это содержимое памяти в ПЛИС, которое определяет логические функции и соединения ячеек ПЛИС. Процессор в данной схеме не присутствует (хотя вы можете сами создать процессор, программируя (в вышеприведенном смысле) ячейки ПЛИС).

Теперь нажмем кнопку «посмотреть на абстрактную (не привязанную к конкретному FPGA) схему, описанную на верилоге и синтезированную софтвером):

Нажмем на мышкой чтобы посмотреть внутрь:

Нажмем на кнопку „Zoom to Full View“ чтобы увидеть всю схему:

А теперь посмотрим на переработанную схему, сгенерированную софтвером для конкретного FPGA (View Technology-Specific):

Мы видим слово LUT — это Look-Up Table — его нужно запомнить на будущее:

Теперь нажмем на кнопку „View/Edit Routed Design (FPGA Editor)“, чтобы посмотреть, как схема ляжет на ячейки FPGA:

Жмем кнопку чтобы сконфигурировать FPGA. Плата прицеплена микро-USB кабелем к компьютеру.

С этого момента важно, что установлен плагин от Digilent-а для этой платы — digilentinc.com/Products/Detail.cfm?NavPath=2,66,768&Prod=DIGILENT-PLUGIN

У Digilent-а есть еще софтвер под названием Digilent Adept, но он на моем компьютере с этой платой почему-то не работает, так что лучше использовать плагин и iMPACT. Последовательность действий ниже понимать не обязательно, это просто „магические заклинания“, чтобы перенести *.bit файл в конфигурационную память внутри FPGA:

Все, теперь плата должна работать — откликаться на нажатия кнопок и соответственно им мигать лампочками.

Теперь не будем закрывать iMPACT, вернемся к главному окну ISE и построим не комбинационную, а последовательностную схему — сдвиговый регистр. Используем генератор тактового сигнала низкой частоты 1 Hz, т.е. один раз в секунду. На плате еще есть генератор тактового сигнала на 8 MHz — это частоту с помощью PLL можно поднять до 200 MHz. Но высокая частота — это других дизайнов, а для наглядности 1 Hz — то что надо:

Засинтезируем ее, сгенерим bit-файл, вернемся в iMPACT и нажмем на кнопку Program. Оно скажет:

Нужно нажать Yes и в FPGA будет загружен новый дизайн. Кстати, теоретически повторная (после создания iMPACT project) загрузка должна происходить просто нажатием Configure Target Device в главном окне ISE, но реально у меня это не происходит — софтвер норовит создать новый iMPACT project. Поэтому и лучше использовать кнопку Program внутри окна iMPACT. Все претензии по этому поводу — в Digilent и Xilinx.

Приложение A. Два видео — как реализовать сдвиговый регистр и счетчик

Приложение B. Полный заголовок верхнего модуля на верилоге для данной платы

Со всеми соединениями и комментариями:

Приложение C. Где взять платы

Платы с Xilinx FPGA можно брать на сайте Digilent, сейчас это отделение National Instruments. Вот плата Digilent Cmod S6, которую я использовал в посте, с самым небольшим Xilinx Spartan-6 FPGA:

Для последующего обучения есть например платы Nexys 4 с более мощными FPGA Xilinx Artix-7. На них не нужно скручивать провода на макетной плате, так как эта стадия обучения уже пройдена:

Про платы с Altera FPGA я напишу другой пост.

Приложение D. Где взять софтвер Xilinx ISE

Его можно загрузить прямо с сайта Xilinx. Использовать можно бесплатную версию. Но для Spartan-6 нужно использовать не самую новую версию среды разработки Xilinx Vivado 2014.4, а Xilinx ISE 14.7 2013 года. Почему не Vivado? Маркетологи в Xilinx решили пересадить всех пользователей чипов Spartan на более новые FPGA Artix, и выключили поддержку для Spartan из нового софтвера. Вот только плат, которые можно вставлять в макетную плату, на Artix еще нет. Поэтому нужно использовать версию софтвера 2013 года:

А вот софтвер Xilinx Vivado который подерживает в частности плату Nexys 4 с Xilinx Artix-7 (для платы со Spartan-6 он не нужен):

На сайте еще есть софтвер Digilent Adept, но я его не рекомендую для Spartan-6, у меня были с ним проблемы.

Приложение E. Немного табличек с параметрами FPGA

И в заключение еще одна фотка FPGA платы на макетной плате с кнопками, резисторами и семисегментным индикатором:

Источник