Программные продукты и системы

Эра печатных плат, усыпанных большим количеством всевозможных корпусов микросхем, постепенно уходит. На современных платах, как правило, располагается несколько крупных СБИС, в которых сосредоточена логика управления / обработки, массив микросхем памяти и некоторое количество приемопередатчиков. Причем такая тенденция присуща как платам массового использования, так и узкоспециализированным, выпускаемым ограниченным (подчас в единственном экземпляре) тиражом. Правда, вопрос "встраивания" в логические СБИС элементов "обвязки" (резисторы, конденсаторы и др.) в настоящее время решен лишь частично, поэтому количество этих элементов на платах по-прежнему бывает значительным.

Современная программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) – это достаточно сложное устройство. Тем не менее конструирование ПЛИС упрощается благодаря развитому программному обеспечению, огромным библиотекам, возможностью логического моделирования. Это уже далеко не те скромные возможности микросхем типа PAL16, PAL20, с помощью которых счастливому разработчику удавалось в прежние годы сэкономить несколько корпусов с элементарными функциями.

Хотя те же ПЛИС типа PAL тоже успешно развивались (и продолжают развиваться). Помимо физических характеристик, таких как быстродействие, потребляемая мощность, перепрограммируемость, усложнялась их логика – изменялись входные / выходные ячейки, модернизировались коммутирующие матрицы. Поэтому на современных платах по-прежнему широко используются микросхемы типа PAL. Более того, в ряде случаев большую ПЛИС можно рассматривать именно как очень большой PAL в широком смысле этого слова. Да и чисто внешне все выглядит одинаково: убрали несколько микросхем – поставили PAL, убрали побольше микросхем – поставили большую ПЛИС.

Однако существует целая область ПЛИС, проектирование которых приобрело принципиально новое качество. Речь идет о вентильных матрицах с динамически изменяемой конфигурацией FPGA (Field-programmable gate array), впервые разработанных фирмой XILINX. Напомним, что программируемую логическую микросхему можно обобщенно представить как набор входных и выходных ячеек, соединенных посредством логической матрицы. Вариантов логической матрицы используется не так уж много. Как правило, вся логика базируется на вариантах архитектуры типа И-ИЛИ. Для FPGA матрица состоит из набора логических блоков с изменяемой конфигурацией, построенных на основе ячеек статических запоминающих устройств. Понятно, что увеличение гибкости коммутирующей матрицы существенно увеличивает возможности в создании логической схемы. Конфигурация FPGA может быть сформирована одним из способов, предлагаемых фирмой-производителем. В любом случае конфигурационные данные загружаются либо из ПЗУ, либо из любой другой схемы, обеспечивающей подачу необходимых сигналов управления и загрузочной битовой последовательности, например с помощью микропроцессора. В статье обращается внимание именно на отличительную особенность FPGA, которая заключается в возможности проведения переконфигурации непосредственно во время работы.

Идеальная система характеризуется тем, что все ее части постоянно выполняют полезную работу в полную меру своих расчетных возможностей. Между тем традиционные схемы часто функционируют по принципу: работает какая-то одна часть, а остальные простаивают. Использование динамической переконфигурации FPGA непосредственно во время работы приближает реальную систему к идеальной.

Разумеется, переконфигурация не должна являться самоцелью. В некоторых схемах прекрасно удается обойтись без ее использования. Речь в первую очередь идет об автоматах, жестко настроенных на один режим. Кроме того, за переконфигурацию тоже приходится платить – необходимо хранить некоторое количество конфигурационных файлов на диске или в ПЗУ. Однако переконфигурация системы часто значительно облегчает жизнь, а в ряде случаев бывает просто необходима. Продемонстрируем на примерах учет возможности динамической переконфигурации при проектировании конкретных цифровых систем.

Пример 1. В одном из вариантов видеоконтроллера, формирующем стереоскопическое изображение, используется автомат, позволяющий раз в кадр переписывать начальный адрес выводимой на экран видеостраницы. Для адаптера VGA адреса регистров, отвечающих за адрес текущей видеостраницы, постоянны. Для адаптеров SVGA, у которых адресное пространство существенно расширено, к упомянутым регистрам добавляется регистр расширения адреса активной страницы. Местоположение этого регистра в адресном пространстве непостоянно и меняется от платы к плате в зависимости от фирмы-производителя. О причинах, заставляющих фирмы менять этот адрес, несмотря рекомендации ассоциации VESA, можно только догадываться, но факт остается фактом. К счастью, вариантов местонахождения этого регистра оказалось всего три, поэтому для инициализации видеоконтроллера было приготовлено три конфигурационных файла с жестко зашитым адресом.

Этот пример демонстрирует простейший вариант переконфигурации FPGA с целью подстройки видеоконтроллера под существующее оборудование (рис.1). Разумеется, в данном случае можно было бы использовать переустанавливаемые перемычки или завести специальный регистр, в который бы записывался упомянутый переменный адрес. Но в более серьезных случаях подстройка цифрового устройства может быть гораздо более серьезной, поэтому этот пример является весьма важным.

Пример 2. В простом видеоконтроллере ввода телевизионного изображения используется двухпортовая видеопамять. По параллельному порту записывается поступающий поток оцифрованного телевизионного изображения, из последовательного порта происходит вывод в определенном окне на изображении от графического адаптера. Центральный процессор при обращении к видеопамяти также использует параллельный порт. В данный момент времени параллельный порт используется только одним источником, следовательно, в настоящем примере может быть применен принцип динамически перегружаемой конфигурации. Один конфигурационный файл создается для ввода телевизионного изображения, второй – для анализа и обработки уже введенного изображения (рис. 2). Аналогичная стратегия может быть успешно реализована в различных системах сбора информации в тех случаях, когда фазы сбора и обработки информации разнесены во времени.

Пример 3. В контроллере видеостены необходимо очень быстро отслеживать сформированный графическим процессором адрес пиксела и направлять обращение процессора в буферную память соответствующего видеокуба. Для графики высокого разрешения форматом 1620´1200 пиксел это означает, что необходимо использовать одиннадцатиразрядный быстрый компаратор. Однако компаратор с таким значительным числом разрядов может быть сделан только составным, при этом адрес распространяется со значительной задержкой. Выход опять в использовании принципа динамически перегружаемой конфигурации. Для каждого формата видеостены адрес требуется сравнивать с заданной константой, то есть вместо компаратора можно использовать некую заранее заданную функцию от некоторого числа адресных линий. Учитывая, что граница каждого видеокуба может быть расположена с достоточно большим дискретом, реально получается, что число переменных этой функции может быть 7 и менее, а это означает, что данная функция может быть реализована в одном логическом блоке FPGA cерии XC4000. Компаратора нет, а его роль успешно исполняется.

Приведенные выше примеры не являются полностью исчерпывающими – они призваны в первую очередь продемонстрировать преимущества нового подхода в проектировании цифровых устройств. Динамическая переконфигурация позволяет, порой значительно, упростить устройство. Конструктору не нужно держать в голове все варианты работы системы, поэтому все внимание можно сосредоточить на кон- кретной ситуации, а решив упрощенную задачу, перейти к следующей, более сложной. К тому же вместо микросхемы со сложной конфигурацией, можно применить более простую, как правило, FPGA той же серии, но с меньшим порядковым номером. А это и экономит средства, и улучшает физические характеристики, так как с уменьшением числа логических блоков в FPGA уменьшается времяпрохождение сигналов.

Список литературы

1. The Programmable Gate Array Data Book . Xilinx,Inc.

2. XC2000/XC3000/XC4000 Desigh Implementation Reference Guide.

3. PAL Device Data Book and Design Guide. Advance Micro Devices, Inc.