Железо - ALTERA: микросхемы программируемой логики (ознакомительный материальчик).

     (C) Research/VolgaSoft

         Современные технологии.
                ALTERA.
    (ознакомительный материальчик)

 
     ВСТУПЛЕНИЕ

     В  этой статье пойдет  речь о совре-
менном  маленьком  чуде,   о  расчитанном
прорыве  в  мире  цифровой  электроники -
микросхемах  программируемой  логики. Это
тот кирпичик, который стоит в  самых сов-
ременных   моделях  ZX-SPECTRUM  -  GMX и
СПРИНТЕР ,  это та самая микросхемина, на
которой   можно  сделать  почти  все - от
Z80X   (допустим, 30мгц,  машинный цикл 1
такт),   до  всего  Пентагона вместе с 2D
акселератором,   GSкой, мышью и IDE конт-
роллером.
     Наверное  каждый  радиолюбитель раз-
рабатывая  цифровое   устройство,  в душе
мечтал  -  где бы  найти таблетку от всех
болезней  -  микросхему,  которая заменит
все. Инженеры особенно  нуждались в подо-
бных устройствах, так  как при разработке
серьезного  изделия  приходилось проекти-
ровать  заказную  интегральную схему "под
задачу". От момента  вычерчивания логики,
до  появления  рабочего изделия проходило
как правило  несколько месяцев и затрачи-
валось   огромное количество ресурсов. Но
спрос  рождает   предложение  - появились
полузаказные   большие интегральные схемы
(БИС)   и программируемые логические мат-
рицы (ПЛМ).
     Наука  не  стояла на месте, техноло-
гии становились  все более и более совер-
шенными, и однажды  был анонсирован выход
пакета "софт"+"железо"+"камень".  Задумка
была очень простой:  разработчик рисует в
софте  схему (может  переносит ее с бума-
ги), или описывает  логику будущего изде-
лия  двоичными   уравнениями  и  простыми
операторами,  затем  компилятор переводит
схему в некий код, а  код зашивается про-
грамматором ("железо")  в микросхему про-
граммируемой  логики  ("камень"), которую
можно сразу же впаивать  в плату. И ника-
ких  затрат  на  разработку  кристалла, и
испытания.  Разработчики   цифровых  уст-
ройств подхватили "на ура"  новинку.
     На сегодня на рынке  масса призводи-
телей  БИС программируемой a логики (ПЛ).
Их  продукты  отличаются a как емкостью и
архитектурой, a так  и  качеством софта и
аппаратной поддержки,  сервисом и в конце
концов стоимостью.
     Явным  лидером сегодня является фир-
ма  Altera   Corporation .  Она завоевала
рынок благодоря  не только широкому спек-
тру изделий, но  и грамотному распростра-
нению своей продукции.  Например, пользо-
вание  софтпродукцией  (студенческие вер-
сии)  с  целью обучения  - бесплатно. Для
России  в  общем-то  не  принципиально (у
нас  почти  никто в глаза  не видал закон
об  авторском  праве), а  вот за границей
этот  вопрос актуален. К  тому-же продук-
ция фирмы буквально  вломилась на отечес-
твенный  рынок  - в  результате мы теперь
почти все сидим на ней.

 
     ОТ СЛОВ - К ДЕЛУ

     СБИС ПЛ  фирмы Altera классифицирую-
тся по следующим признакам:

     1) степень   интеграции  (количество
доступных   вентилей  (элементов 2И-НЕ) и
триггеров);
     2) архитектура  простейшего функцио-
нального преобразователя (ячейки);
     3) организация  внутренней структуры
СБИС и структуры  матрицы соеденений фун-
кциональных  преобразователей (метод сое-
динения ячеек);
     4) наличие внутренней RAM памяти;
     5) технологии  изготовления програм-
мируемого элемента  (Fuse, EPROM, EEPROM,
FLASH,  SRAM) - то,  каким образом зашита
схема.

     Для работы  с большинством своих БИС
ПЛ  фирма Altera предлагает язык описания
аппаратуры MAX+plus II.
     В   системе автоматизации проектиро-
вания   MAX+plus  II поддержано шесть се-
мейств СБИС ПЛ.
   ┌─────────┬──────────────────────┐
   │         │     Параметры        │
   │         ├──────────┬─────┬─────┤
   │Семейство│Логическая│UPin │Tech │
   │         │  емкость │     │     │
   │         │          │     │     │
   ├─────────┼──────────┼─────┼─────┤
   │Classic  │ 300-900  │22-64│EPROM│
   │MAX5000  │ 600-3750 │24-84│EPROM│
   │MAX7000E │ 600-5000 │до164│EEP- │
   │MAX9000  │ 6e3-12e3 │до216│ROM  │
   │FLEX8000A│ 2500-16e3│до208│SRAM │
   │FLEX10K  │ 1e4-1e5  │до406│SRAM │
   └─────────┴──────────┴─────┴─────┘

     Логическая   емкость - число доступ-
ных  элементов   2И-НЕ, то есть в FLEX10K
влезет до 25000  наших ЛА3-их.
     UPin - число  пользовательских выво-
дов.
     Tech - технология.

 
     Практическое   пояснение  к таблице:
допустим  берем   самый  дохлый FLEX8000A
(техноглогия SRAM  - т.е. после включения
питания  схемку ус тройства надо "залить"
в  альтерину),   вешаем пользовательскими
ногами на шину  родимиго Спекки (при этом
останется   несколько  свободных), делаем
элементарный  дешифратор порта на россыпи
и  сцепляем его  со входом альтерины. Что
мы получаем? Мы  получаем супер устройст-
во!!! Ведь теперь  можно вливать в альте-
ру  фактически   любую схему!!! Это может
быть что угодно  от внешнего мат. процес-
сора  (допустим  в один порт побайтно ло-
жим  16-битное   число, в другой - второе
число,  еще   куда-нибудь - код операции,
затем  снимаем  результат), до всего, что
уму  постижимо   (если  ткнуть  несколько
свободных  ног   "куда  следует"  - можно
сделать  аппаратную  заливку и аппаратное
построение отрезков,  многоканальные про-
граммируемые прерывания  (особенно актуа-
льно для цифрового  звука), новые комман-
ды процессора (как  в "спринтере" или до-
полнительные   регистры  процессора....).
Можно наделать  библиотек аппаратных фун-
кций  чтобы не  изобретать велик, как это
до  сих  пор   делают  упрямые "кодеры" и
считывать  их   в соответствии с задачей.
"Прошивка" схемы  того же FLEX8282A ("са-
мый  дохлый",   см. выше) весит, если мне
не изменяет  память, 6кБ. Во время конфи-
гурирования   все  пользовательские  ноги
находятся  в   Z-состоянии и не влияют на
работу  системы.  Если нужно сделать уст-
ройство  "на  века" и  не конфигурировать
его  каждый  раз после  включения - можно
использовать семейство  MAX. Так же неко-
торые  БИС  семейства МАХ имеют защиту от
"сливания   схемы" - бит секретности раз-
работки,  однако, на мой взгляд, примене-
ние этого  семейства несколько ограничено
(по  крайней  мере в "домашних" условиях)
из-за   необходимости  в  программаторе и
ограниченом  количестве циклов программи-
рования.

 
     ТЕПЕРЬ ПАРА  СЛОВ О  СРЕДЕ РАЗРАБОТ-
     КИ: ЯЗЫКЕ ОПИСАНИЯ  АППАРАТУРЫ MAX +
     PLUS II.

     Система  MAX + plus II  написана под
следующие  платформы: PC , MAC , SUN . Ни
Спекки ,  ни  прeсловутой подружки в этом
списке   почему-то  не оказалось. Система
очень  добрая,  простая и с широкими воз-
можностями.  Основными  компонентами  яв-
ляются  графический и текстовый  редакто-
ры, компилятор, редактор диаграмм  (он же
"дебуггер"), таймер, редактор  размещения
и разводки.
     В  графическом   редакторе  рисуется
схема устройства (если  использовано гра-
фическое  задание). В  качестве элементов
схемы можно задействовать  логику "по бу-
ржуйскому  госту", есть  там и вся 74 се-
рия,  а если не нравятся  вражеские обоз-
начения - можно нарисовать  все по-нашин-
ски и заставить работать.
     Текстовый редактор  используется для
текстового   описания   аппаратуры.  Язык
что-то  среднее  между   dBase , C , Pas-
cal .  Есть  чуть ли  не готовая комманда
описания синхронного  конечного автомата,
есть  и if и case .  Сумматор описывается
буквально как  C[]=A[]+B[] . А телефонная
чип-карта  описывается и тестируется (см.
ниже) за часик не напрягаясь.
     Компилятор  проверяет   схемку  (или
текстик) и генерирует прошивку  под зада-
нный  "кирпич". Широко  регулируемые пре-
делы  оптимизации  по   скорости и объему
позволяют  выжать из  устройства максимум
быстродействия  или   минимум  занимаемой
площади на кристалле.  Есть полезная вещь
дизайн доктор.  Показывает где есть гонки
и  опасные  места,   и при каких условиях
они  появятся, не  забывает попросить на-
жать  сброс для  инициализации устройства
после включения и т.д.
     В редакторе  диаграмм можно промоде-
лировать работу  будущего устройства: до-
пустим  задать  входные сигналы и посмот-
реть   соотвествующие  им выходные, гонки
тоже  не   забывают отображаться. Поэтому
прежде чем  собирать схему лучше прогнать
ее в "максе" и  проверить. Правда нашелся
и глючечек - не  завелся Т-триггер сдела-
нный из RS ,  сихронизируемого перепадом,
хотя на практике  он пахал. Просмотр диа-
грамм  сделан   очень удобно: можно смот-
реть  диаграммы,  объединив их в группы и
представив удобную  для просмотра систему
исчисления   (двоичную, десятичную, шест-
надцатиричную).  Входные данные можно за-
давать  в том  числе и кодом Грея . Можно
посмотреть  и  внутренние состояния авто-
мата.
     Таймер - он  и в африке таймер - по-
казывает  задержки  и максимально возмож-
ную рабочую частоту  устройства.
     Редактор   размещения и разводки ис-
пользуется   для  "аппаратного"  убирания
гонок   (перестановки логических ячеек) и
расстановки пользовательских выводов.

     Прайс  дистрибьтера фирмы Altera я к
величайшему   несчастью  потерял,  посему
скажу  лишь   по  памяти,  что  FLEX10K10
стоит  от $20,  FLEX8282A от $8, элементы
семейства  MAX  стоят от $3.3. Если инте-
ресно,  где  можно добыть информацию, мо-
жете пролистать  до конца статьи, ибо да-
лее пойдет справочная информация.

 
     БОЛЕЕ ПОДРОБНАЯ ИНФОРМАЦИЯ О
     СЕМЕЙСТВАХ

     Семейство  Classic  объединяет 3 се-
рии  СБИС. БИС этого  семейства позволяют
заменить устройство,  содержащее от 10 до
20 микросхем средней  степени интеграции,
и  обеспечивают:
     * задерку   распространения  сигнала
от  любого  входа  да выхода БИС не более
10 нс;
     * устойчивую  работу  на частотах до
100 МГц;
     * возможность  работать в режиме по-
ниженного энергопотребления;
     * возможность  задания режима секре-
тности  разработки  (из микрухи схему на-
зад не слить).
     Прим.: похоже  уже сняты с производ-
ства.

     Семейство   MAX5000 объединяет 5 се-
рий  СБИС. БИС  этого семейства позволяют
заменить  устройство,  содержащее до нес-
кольких  десятков  микросхем средней сте-
пени интеграции, и обеспечивают:
     * задерку   распространения  сигнала
от  любого  входа  да выхода БИС не более
15 нс;
     * устойчивую  работу  на частотах до
76 МГц;
     * возможность  задания режима секре-
тности разработки;
     * возможность    использования  трех
режимов  работы   выходных буферов: вход,
выход, двунаправленный.

     Семейство   MAX7000 объединяет 7 се-
рий   СБИС. БИС этого семейства позволяют
заменить  устройство, содержащее до сотни
микросхем   средней степени интеграции, и
обеспечивают:
     * задержку   распространения сигнала
от любого входа  дo выхода БИС не более 5
нс;
     * устойчивую  работу  на частотах до
178 МГц;
     * возможность  регулирования скорос-
ти переключения выходных буферов;
     * возможность  использования 4-х ре-
жимов работы выходных  буферов: вход, вы-
ход,  двунаправленный,   открытый коллек-
тор;
     * возможность  задания  режима пони-
женного  энергопотребления   как для всей
СБИС  в целом, так и для цепей  распрост-
ранения отдельных сигналов;
     * возможность    программирования  и
репрограммирования    после  распайки  на
плате;
     * возможность  задания режима секре-
тности разработки;
     * работу  с  пониженным (3.3 В) нап-
ряжением питания.
     Прим.: ряд  серий соответствует ста-
ндарту шины PCI.

     Семейство   FLEX8000A  объединяет  7
серий  СБИС.   БИС этого семейства позво-
ляют заменить  устройство, занимающее де-
сятки  плат,   выполненных на микросхемах
средней  степени  интеграции, и обеспечи-
вают возможность:
     * устойчивой   работы на частотах до
294 МГц;
     * эмуляции   внутренней  шины  с 3мя
состояниями;
     * работы  с  пониженным (3.3 В) нап-
ряжением питания;
     * работы   в  системах  со смешанным
(3.3 В, 5 В) напряжением питания;
     * реализации   неограниченного числа
циклов  конфигурирования,  в  том числе и
"на  лету",  т.е. без выключения  питания
СБИС;
     * регулирования  скорости переключе-
ния выходных буферов;
     * возможность  использования 3-х ре-
жимов работы выходных  буферов: вход, вы-
ход, двунаправленный.
     Прим.: все СБИС  этой серии соответ-
ствует стандарту шины PCI.

     Семейство  MAX9000  объединяет 4 се-
рий  микросхем. БИС  этого семейства поз-
воляют  заменить   устройство, занимающее
десятки плат,  выполненных на микросхемах
средней  степени   интеграции и обеспечи-
вают возможность:
     * устойчивую  работу  на частотах до
125 МГц;
     * независимого  использования  логи-
ческой части и триггера макроячейки;
     * возможность  задания режима  пони-
женного  энергопотребления  как для  всей
СБИС  в целом, так и для цепей  распрост-
ранения отдельных сигналов;
     * возможность   программирования   и
репрограммирования   после  распайки   на
плате;
     * работы   в  системах  со смешанным
(3.3 В, 5 В) напряжением питания;
     * регулирования  скорости переключе-
ния выходных буферов;
     * использование  3-х  режимов работы
выходных буферов: вход,  выход, двунапра-
вленный.
     Прим.: ряд  серий соответствует ста-
ндарту шины PCI.

     Семейство  FLEX10K  объединяет 7 се-
рий  СБИС. БИС этого  семейства позволяют
заменить   устройство,  занимающее  сотни
плат, выполненных  на микросхемах средней
степени  интеграции,  и обеспечивают воз-
можность:
     * устойчивой  работы  на частотах до
450 Мгц;
     * реализации  на кристалле статичес-
кой памяти и ПЗУ объемом до 24Кбит;
     * независимого   использования логи-
ческой  части и  триггера кадого логичес-
кого элемента;
     * эмуляции  внутренней   шины с  3мя
состояниями;
     * умножения  внутренней тактовой ча-
стоты;
     * работы   в  системах  со смешанным
(3.3 В, 5 В)  напряжением питания;
     * реализации  неограниченного  числа
циклов  конфигурирования,  в том  числе и
"на  лету",  т.е. без выключения  питания
СБИС;
     * регулирования  скорости переключе-
ния выходных  буферов;
     * возможность  использования 4-х ре-
жимов работы выходных  буферов: вход, вы-
ход,  двунаправленный,   открытый коллек-
тор.
     Прим.: все  СБИС этой серии соответ-
ствует стандарту шины PCI.

     Вот  такие  дела. Добавлю  лишь, что
прогресс  не  стоит  на месте  и в каждом
семействе серий поприбавилось.

 
     ЯВКИ

     WWW.ALTERA.COM - там  можно получить
более подробную информацию  и электронные
ключи  к программе MAX + Plus II  (прики-
нувшись  студентом  или научным  работни-
ком).

     Фирма ЭФО.
     E-mail: zav@efo.spb.su
     Тел. (812) 247-5340
     194021 Санкт-Петербург,
     Политехническая ул.,21 (здесь  можно
     купить соответсвующие элементы).

 
     ЛИТЕРАТУРА

     1. Обзор элементной базы фирмы
        ALTERA (Антонов А.П., Мелехин
        В.Ф., Филлипов А.С.; СПб 1997)

     2. Эта же книга (только кажется по
        больше) лежит на компакте с MAX
        + Plus II в виде .PDF (кажись
        45 МБ), правда на английском.