Специализированные СБИС

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

2.1 Получить у преподавателя задание на выполнение лабораторной работы. Изучить требования по технике безопасности при работе с ПК.

2.2 Изучить конструктивно-технологические особенности ПЛИС (раздел 3). Ответить на контрольные вопросы (раздел 6).

2.3 Изучить основы работы и этапы проектирования специализированных микросхем на ПЛИС в среде разработки MAX+Plus II (раздел 4). Ответить на контрольные вопросы (раздел 6).

2.4 Приступить к описанию схемы в пакете MAX+Plus II, согласно варианту задания (раздел 5).

2.5 После окончания ввода описания проекта провести верификацию, компиляцию и моделирование схемы устройства в системе MAX+Plus II.

2.6 Представить результаты моделирования на утверждение преподавателя.

2.7 Для защиты работы подготовить отчет.

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛИС

Специализированные СБИС

Достижения в области микроэлектронных технологий привели к тому, что основу многих современных радиоэлектронных и вычислительных устройств составляют специализированные большие и сверхбольшие интеграль­ные схемы (БИС и СБИС), позволяющие значительно улучшить технико-экономические характеристики аппаратуры конкретного назначения.

На практике используют пять способов реализации специализированных СБИС:

1)Полностью заказные - предполагающие полный цикл проектирования, включающие разработку всех литографических шаблонов на уровне отдельных областей транзисторных структур;

2)Заказные на основе библиотечных элементов - предполагающие использо­вание заранее разработанных топологических библиотек элементов, узлов и блоков различной сложности и включающие разработку всех литографических шаблонов, но на уровне элементов, узлов и блоков;

3)Полузаказные на основе базовых матричных кристаллов (БМК) - предполагающие использование заранее изготовленных «полуфабрикатов» - БМК - кристаллов с матрицами так называемых базовых ячеек, каждая из кото­рых содержит набор нескоммутированных элементов (транзисторов, дио­дов, резисторов и др.), позволяющих посредством разработки только заказных шаблонов металлизации соединить базовые элементы в соответствии с проектируемой схемой для выполнения заданного набора функций;

4)На основе постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) - предполагающие программирование заранее изготовленных микросхем ПЗУ, содержащих полный дешифратор и программируемый шифратор (поле ячеек памяти), для выполнения определенных функций;

5)На основе программируемых логических матриц (ПЛМ) - также предполагающие программирование заранее изготовленных микросхем, содержа­щих ПЛМ, отличающихся от ПЗУ наличием программируемых дешифра­торов, что обеспечивает дополнительную гибкость.

Каждый из перечисленных способов имеет достоинства и недостатки, определяющие область его практического использования. Так, полностью заказные СБИС отличаются наиболее высокими показателями эффективности использования площади кристалла, быстродействия, надежности, но при этом предполагают длительный цикл проектирования (несколько месяцев работы проектного коллектива) и имеют наиболее высокую стоимость. Напротив, СБИС на основе ПЛМ позволяют сократить цикл проектирования до несколь­ких часов и свести к минимуму затраты на проектирование за счет опреде­ленной избыточности в числе логических матриц, длине связей и т.д., что не­сколько снижает качественные показатели.

Следует отметить, что уменьшение топологических размеров элементов СБИС до 32 нм (а в настоящее время уже осваивается технология в 22 нм) привело к резкому улучшению характери­стик СБИС, в том числе и на основе ПЛМ. При этом степень интеграции, быстродействие, помехоустойчивость и надежность программируемых интегральных схем достигли столь высокого уровня, что в настоящее время во всем мире наблюдается тенденция все более широкого их использования для реализации специализированных СБИС.

ПЛИС

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др. Альтернативой ПЛИС являются: программируемые логические контроллеры (ПЛК), базовые матричные кристаллы (БМК), требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC — специализированные заказные большие интегральные схемы (БИС), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже; специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, которые из-за программного способа реализации алгоритмов в работе медленнее ПЛИС.

Некоторые производители ПЛИС предлагают программные процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой ПЛИС, за счёт быстродействия.

ПЛИС широко используется для построения различных по сложности и по возможностям цифровых устройств.

ПЛИС рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективная элементная база для построения цифровой аппаратуры разнообразного значения. Появляются и новые возможности реализации на программируемых микросхемах аналоговых и аналого-цифровых устройств. Перспективность ПЛИС базируется на ряде их достоинств, к числу которых можно отнести перечисленные ниже, справедливые для ПЛИС вообще, безотноси­тельно к их конкретным разновидностям.

– Универсальность и связанный с нею высокий спрос со стороны потреби­телей, что обеспечивает массовое производство.

– Низкая стоимость, обусловленная массовым производством и высоким процентом выхода годных микросхем при их производстве вследствие достаточно регулярной структуры.

– Высокое быстродействие и надежность как следствие реализации на базе передовых технологий и интеграции сложных устройств на одном кри­сталле.

– Разнообразие конструктивного исполнения, поскольку обычно одни и те же кристаллы поставляются в разных корпусах.

– Разнообразие в выборе напряжений питания и параметров сигналов вво­да/вывода, а также режимов снижения мощности, что особенно важно для портативной аппаратуры с автономным питанием.

– Наличие разнообразных, хорошо развитых и эффективных программных средств автоматизированного проектирования, малое время проектирова­ния и отладки проектов, а также выхода продукции на рынок.

– Простота модификации проектов на любых стадиях их разработки.

Для новейших вариантов ПЛИС с динамическим репрограммированием структур кроме важных с общих позиций свойств следует назвать и дополнительную специфическую черту: возможность построения на базе динами­чески репрограммируемых микросхем новых классов аппаратуры с многофунк­циональным использованием блоков.