Пример программирования плис. Что такое плис и зачем они нужны

Начну свою первую статью с того, что сообщу: в предмете статьи я сам новичок, но выбрал именно такую тему. Объясню почему. Читаю хабр уже достаточно долго и мне всегда были интересны топики тех, кто сам в настоящий момент изучает то, о чем повествует. Такие статьи всегда понятны, всегда находят свою аудиторию и всегда предают читающему интерес и энтузиазм автора, который у новичков в любой области обычно зашкаливает!

ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема) – один из видов электронных устройств, применяемый для реализации различных логических устройств самой разной сложности, от двоичных счетчиков, несложных логических схем (замены стандартных интегральных схем - рассыпухе) до специализированных процессоров и нейрочипов.

С назначением разобрались, вопрос – как? Внутри ПЛИС находятся некие базовые элементы, которые соединяются на основе конфигурационной записи. Возможные базовые элементы, вид и место хранения конфигурационной записи зависят от вида ПЛИС и от конкретной модели. В современных ПЛИС выделяют два вида: CPLD и FPGA, уделим им по абзацу.

CPLD (complex programmable logic device - сложные программируемые логические устройства) - ПЛИС, базовыми элементами которой являются макроячейки и простые логические вентили (И(-НЕ)/ИЛИ(-НЕ)). Обычно содержит меньше базовых элементов, чем FPGA, но является более быстродействующей. Также обычно содержит энергонезависимую конфигурационную память прямо на кристалле, но имеет ограниченное число циклов конфигурирования.

FPGA (field-programmable gate array - Программируемая пользователем вентильная матрица) – ПЛИС, которые обычно имеют целый букет видов базовых блоков, это и настраиваемые логические элементы (таблицами истинности) и блоки сложения-умножения (Digital signal processing - DSP) и PLL (Phase-Locked Loop) для деления и умножения частоты и некоторые другие в зависимости от модели. Обычно имеют энергозависимую внутреннюю память и функционал для загрузки конфигурации с внешней энергонезависимой памяти.

Определения этих видов ПЛИС и разницы между ними можно встретить самые различные, как в книгах, так и в интернете. Поэтому не стоит зацикливаться на этой разнице, производители сами классифицируют выпускаемые ими ПЛИС. Если вы не запомнили аббревиатур или не поняли значений некоторых слов – не страшно, главное чтобы появилось общее понятие о ПЛИС, надеюсь я этого добился. А теперь к практике!

Начнем с обсуждения инструментов. Я буду пользоваться стартовым набором разработчика Altera Cyclone II FPGA Starter Board, это готовая плата, на которой установлена FPGA серии Cyclone II – EP2C20F484C7N, а также различная периферия и интерфейсы. В этой статье мы используем светодиоды и семисегментные индикаторы. Мы не будем использовать никаких специальных блоков данной серии FPGA, поэтому при желании вы можете использовать почти любую другую ПЛИС (FPGA и CPLD).

Сильно заинтересовавшиеся могут купить себе один из наборов разработчика или самим собрать устройство, что является достаточно сложной для новичка, но вполне выполнимой задачей. Схемы программаторов и схемы подключения самих ПЛИС легко гуглятся, к тому же, кто ранее занимался любительской прошивкой AVR, может обнаружить у себя подходящий программатор Altera Byte Blaster. В общем, схемную реализацию я предоставляю тебе хабраюзер (В конце статьи схема моей Starter Board). Кто хочет попробовать без денежных затрат и увидеть результат работы – можно использовать встроенный в Quartus II симулятор (в этой статье работа с ним не описана).

Из ПО мы будем использовать Quartus II, free версию которого вы сможете найти на сайте производителя (Altera), как в Windows, так и в Linux вариантах.

И вот мы подошли к практике вплотную! Запускаем наш САПР Quartus II и создаем проект. Первыми шагами визарда указываем имя проекта и его место дислокации, затем пропустим шаг добавления файлов (еще успеем). Закончим создание проекта на этапе выбора устройства, если делаем на железяке – точно знаем имя ПЛИС, его и выбираем. Если просто делаем проект для ПЛИС выберем что-нибудь помощней, например третий циклон. Я же выбираю FPGA которая установлена в моем стартер ките.

Жмем Finish – проект создан. Структура проекта в Quartus – иерархическая, нам необходимо выбрать верхушку иерархии (Top-Level Entity). Мы можем использовать для проектирования схемные файлы и файлы с описанием логики на одном из HDL (Hardware description language – язык описания аппаратуры). Мое мнение – наглядней всего в качестве верхушки иерархии использовать схемный файл с основными блоками логики, а сами блоки реализовывать на HDL. Мнения могут быть разными, пока выбирал, прочитал немало холиварных тем, но остановился пока на такой модели, вы можете сделать свой выбор. В качестве HDL языка проекта я выбрал VHDL ((Very high speed integrated circuits) Hardware Description Language), вы можете использовать любой другой, например Verilog или AHDL, все зависит от ваших предпочтений.

Создаем наш первый файл проекта (File – New..) выбираем Block Diagram/Schematic File. Теперь давайте нарисуем простейшую схему, добавим один Input, один Output и соединим их (в реальной ПЛИС эта схема будет передавать сигнал с одной ножки на другую). Для этого Double Click на пустом месте схемы и в открывшемся диалоге Symbol выбираем необходимый элемент.

Соединяем просто так, линией. Дадим пинам имена (Double Click по элементам), input назову CLOCK_27, а output назову LEDR. Имена выбраны не случайно – CLOCK_27 я затем ассоциирую с входом генератора 27Mhz, а LEDR с нулевым красным светодиодом. Сохраняем файл, оставив галочку добавления в проект. Теперь установим полученный файл вершиной иерархии проекта. Для этого окне Project Navigator, во вкладке Files, в контекстном меню нашего файла выбираем Set as Top-Level Entity. Hello, world готов. Компилируем проект (Processing – Start Compilation), если видим Info: Quartus II Full Compilation was successful. – радуемся и считаем, что первый этап пройден.

Теперь разберемся с нашими целями. Наше устройство будет при включении питания начинать отсчет минут и часов. Значит нам понадобится четыре семисегментных индикатора «ЧЧ: ММ». Для отсчета времени нам нужен более-менее точный сигнал 1Hz. Его мы получим путем деления частоты 27Mhz, затем мы будем отсчитывать его на 60 (секунды), потом еще раз на 60 (минуты), а потом на 24 (часы). С последних двух блоков двоичное число минут и часов будет поступать на декодер Bin -> BCD (binary-coded decimal) -> 7seg. Вот, в общем, и все устройство. Сразу оговорюсь, что схема будет асинхронная (Минуты заводятся от секунд, а часы от минут), для простоты и наглядности.

Итак, создадим наш первый блок - блок деления частоты. Создадим новый файл, как мы уже умеем, только тип файла будет VHDL File. Вставим в него код:

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

Entity Div_27Mhz_to_1Hz is
port(clk:in std_logic; clk_out:out std_logic);
end Div_27Mhz_to_1Hz;

Architecture div_behavior of Div_27Mhz_to_1Hz is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 27000000;
begin
then

If(cnt >= 13500000)
then
clk_out <= "1";
else
clk_out <= "0";
end if;

If(cnt = 27000000)
then
cnt:= 0;
else
cnt:= cnt + 1;
end if;

End if;
end process;
end div_behavior;

Пропущу служебные директивы (можно посмотреть в справочнике, ссылки в конце), уделю внимание только логике работы. Вначале мы объявляем сущность, т.е. сам блок. Указываем его входы и выходы, их типы и имена. Тип std_logic в простонародье значит бит. Далее мы описываем внутреннюю архитектуру этого блока. Архитектура состоит из параллельных процессов. Каждый процесс имеет свой список чувствительности, например единственный процесс в примере выше чувствителен к изменениям на входе clk. Для процесса можно объявить переменные, в нашем примере это переменная типа integer range 0 to 27000000. Далее в теле процесса задается элементарная логика: пока не прошла половина периода - пихаем в выход логический ноль, как половина прошла – пихаем единицу, при этом не забываем считать и обнулять счетчик по достижению 27000000. На идеальный код не претендую – пока учусь, буду рад поправкам:)

Сохраняем файл с кодом и создаем символ (File – Create/Update – Create Symbol Files For Current Files), это необходимо для того чтобы вставить данный блок в нашу главную схему. Найти свои символы можно в папке Project в диалоге вставки символа. Теперь пробежимся по остальным блокам менее подробно.

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

Entity cnt_0_to_59 is
port(clk:in std_logic; c59:out std_logic; vector:out std_logic_vector(5 downto 0));
end cnt_0_to_59;

Architecture cnt_behavior of cnt_0_to_59 is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 59;
begin
if(clk"event and clk = "1")
then
if(cnt = 59)
then
cnt:= 0;
c59 <= "1";
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6);
else
cnt:= cnt + 1;
c59 <= "0";
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6);
end if;
end if;
end process;
end cnt_behavior;

Это блок счета от нуля до 59, который мы используем для счета минут и секунд. Из новинок тут тип выхода std_logic_vector(5 downto 0), который определяет группу битов (битовый вектор), а также функция CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 6), которая преобразует переменную в битовый вектор указанной длины.

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

For CONV_STD_LOGIC_VECTOR:
use ieee.std_logic_arith.all;

Entity cnt_0_to_23 is
port(clk:in std_logic; vector:out std_logic_vector(4 downto 0));
end cnt_0_to_23;

Architecture cnt_behavior of cnt_0_to_23 is
begin
process(clk)
variable cnt: integer range 0 to 23;
begin
if(clk"event and clk = "1")
then
if(cnt = 23)
then
cnt:= 0;
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 5);
else
cnt:= cnt + 1;
vector <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(cnt, 5);
end if;
end if;
end process;
end cnt_behavior;

Выше счетчик часов. Ничего нового.

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

For CONV_STD_LOGIC_VECTOR:
use ieee.std_logic_arith.all;

Entity bin2bcd_5bit is
port(bin:in std_logic_vector(4 downto 0);
bcd1:out std_logic_vector(3 downto 0);
bcd10:out std_logic_vector(3 downto 0)
);

End bin2bcd_5bit;

Architecture converter_behavior of bin2bcd_5bit is
begin
process(bin)
variable i: integer range 0 to 23;
variable i1: integer range 0 to 9;
begin
i:= conv_integer(bin);
i1:= i / 10;
bcd10 <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(i1, 4);
i1:= i rem 10;
bcd1 <= CONV_STD_LOGIC_VECTOR(i1, 4);
end process;
end converter_behavior;

Преобразователь Binary в BCD, по сути, просто разбивает одно бинарное число на два, каждое из которых представляет разряд десятичного числа. Из новинок – оператор rem, остаток от деления. Аналогично написан и преобразователь для шести бит, его приводить не буду.

Library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;

Entity BCD_to_7seg is
port(
BCD:in std_logic_vector(3 downto 0);
seg:out std_logic_vector(6 downto 0)
);

End BCD_to_7seg;

Architecture conv_behavior of BCD_to_7seg is
begin
process(BCD)
begin
if BCD = "0000" then seg <= "0000001";--0
elsif BCD = "0001" then seg <= "1001111";--1
elsif BCD = "0010" then seg <= "0010010";--2
elsif BCD = "0011" then seg <= "0000110";--3
elsif BCD = "0100" then seg <= "1001100";--4
elsif BCD = "0101" then seg <= "0100100";--5
elsif BCD = "0110" then seg <= "0100000";--6
elsif BCD = "0111" then seg <= "0001111";--7
elsif BCD = "1000" then seg <= "0000000";--8
elsif BCD = "1001" then seg <= "0000100";--9
else seg <= "1001001";--err
end if;
end process;
end conv_behavior;

Преобразователь одного разряда в семисегментный код, реализованный простой таблицей истинности. Сам семисегментный код представляет собой битовое представление горящих сегментов на индикаторе в порядке abcdefg, в моем случае еще и инверсное.

По мере развития цифровых микросхем возникло противоречие между возможной степенью интеграции и номенклатурой выпускаемых микросхем. Экономически оправдано было выпускать микросхемы средней интеграции, таких как , . Более сложные схемы приходилось создавать из этих узлов. Разместить более сложную схему на полупроводниковом кристалле не было проблем, но это было оправдано либо очень большой серийностью аппаратуры, либо ценой аппаратуры (военная, авиационная или космическая). Заказные микросхемы не могли удовлетворить возникшую потребность в миниатюризации аппаратуры. Решение могло быть только одним — предоставить разработчикам аппаратуры возможность изменять внутреннюю структуру микросхемы (программировать).

История развития программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) начинается с появления программируемых постоянных запоминающих устройств. Первое время программируемые ПЗУ использовались исключительно для хранения данных, однако вскоре их стали применять для реализации цифровых комбинационных устройств с произвольной таблицей истинности. В качестве недостатка подобного решения следует отметить экспоненциальный рост сложности устройства в зависимости от количества входов. Добавление одного дополнительного входа цифрового устройства приводит к удвоению требуемого количества ячеек памяти ПЗУ. Это не позволяет реализовать многовходовые .

Для реализации цифровых комбинационных устройств с большим числом входов были разработаны программируемые логические матрицы (ПЛМ). В иностранной литературе они получили название — Programmable Logic Arrays (PLA). Именно программируемые логические матрицы можно считать первыми программируемыми логическими интегральными схемами (Programmable Logic Devices — PLDs). ПЛМ получили широкое распространение в качестве первых универсальных микросхем большой интеграции.

Классификация ПЛИС

В настоящее время программируемые логические интегральные схемы развиваются по нескольким направлениям, поэтому возникла необходимость как то различать эти микросхемы. Классификация программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация программируемых логических интегральных схем (ПЛИС)

Недавно я все-таки сделал свой первый шаг к ПЛИС и . Мое фанатическое увлечение ПЛИС и идея о том, что ПЛИС является лучшей платформой для создания любых устройств приобрела религиозный характер. Моя секта ПЛИСоводов проповедует полный отказ от микроконтроллеров, а особо экстремистская ветвь проповедует отказ не только от софт процессоров , но и вообще от последовательных вычислений!

Как всегда, постижению истин помогло решение реальных задач. В сегодняшней проповеди я хотел бы рассказать об испытаниях, которые выпадают на долю молодого ПЛИСовода. Преодолевая испытания мы постигаем истину. Но остаются вопросы, на которые я не нашел ответов. Поэтому я бы очень хотел, чтобы братья-хабровчане - ПЛИСоводы с опытом, поучаствовали в обсуждении, протянули руку помощи своим младшим собратьям.

Эта статья для новичков. В ней я опишу типичные проблемы, вопросы, заблуждения, ошибки, которые могут появиться в самом начале обучения (потому что они появились у меня). Однако, контекст статьи ограничен тем, что разработка ведется на ПЛИС от Altera в среде Quartus на языке Verilog .

Трудно жить ничего не делая, но мы не боимся трудностей!

Одна из причин, по которой многие не начинают изучать Verilog вот прямо сейчас - это отсутствие реальной ПЛИС. Кто-то не может заказать, потому что дорого, а кто-то потому, что не знает, что именно взять (вопрос выбора рассмотрен в ). Кому-то ПЛИС пока еще едет по почте.

Но в своих разработках я пришел к тому, что наличие реальной ПЛИС мне требуется уже на финальном этапе разработки, когда нужно протестировать проект «в железе». Речь о том, что бóльшую часть времени я провожу в отладке своего кода с помощью симуляторов.

Поэтому мой совет: отсутствие ПЛИС - это не повод бездействовать. Пишите и отлаживайте модули для ПЛИС в симуляторах!

Симулятор для Verilog

Итак, чем же развлечь себя скучными длинными рабочими днями (если они таковыми являются)? Конечно же освоеним ПЛИС! Но как же затащить на работу целую среду разработки от Altera, если она весит 3 ежемесячных рабочих лимита интернета? Можно принести на флешке! Но если предметом изучения является Verilog, то можно ограничиться блокнотом, компилятором IcarusVerilog, а результат смотреть в GTK Wave.

Попробовать прямо сейчас

Для начала работы в среде Windows, достаточно скачать по ссылке http://bleyer.org/icarus/ файл установки iverilog-20130827_setup.exe (development snapshot)

Установка трудностей не вызывает. Теперь немного забежим вперед: создадим папку для проекта и в ней пару файлов с пока что не понятным содержимым:

Файл-модуль с кодом для тестирования модулей - bench.v

`timescale 1ns / 100 ps module testbench(); reg clk; initial begin $display("start"); $dumpfile("test.vcd"); $dumpvars(0,testbench); clk <= 0; repeat (100) begin #10; clk <= 1; #10; clk <= 0; end $display("finish"); end

В файле bench.v описан тестовый модуль testbench, в нем создан тестовый источник сигнала clk (меандр). Другие модули будут создаваться в отдельных файлах, либо логику можно протестировать сначала в этом модуле, а потом вынести в отдельный модуль. Потом в модуль testbench будут добавляться экземпляры этих модулей, где мы будем подавать на их входы тестовые сигналы и получать из них результаты. Из модулей мы можем строить иерархию, думаю это понятно всем.

BAT Файл, который скомпилирует и просимулирует главный модуль, добавив другие модули из текущей папки - makev.bat

iverilog -o test -I./ -y./ bench.v vvp test pause

После запуска этого файла мы увидим на экране текст, заданный в $display (это отладочный вывод), значение же сигналов и регистров схемы будут находиться в файле test.vcd. Кликаем по файлу и выбираем программу для просмотра - GTKWave (в моем случае D:\iverilog\gtkwave\bin\gtkwave.exe). Еще пару кликов и мы увидим наш clk.

Практически, каждый свой новый модуль я создаю в блокноте и отлаживаю IcarusVerilog. Следующим этапом после такой отладки идет проверка модулей в Quartus. Хотя в Quartus тоже есть свой симулятор, но я его использую реже. Причина в простоте обновления кода и просмотра результата в IcarusVerilog: сохранил изменения в файле, запустил BAT, нажал кнопку «обновить» в GTKWave - все! В ModelSim для этого требуется чуть больше движений, но он тоже не плох, особенно на данных сложных структур.

После симуляции наступает пора запуска Quartus. Но загружать прошивку в ПЛИС пока еще рано. Нужно убедиться, что божественная вычислительная машина правильно поняла, какую схему мы хотим получить, изложив свои мысли в виде Verilog"а.

Разница между симуляцией и работой в реальном железе

Первое время я, подобно слепому котенку, бился головой об косяки. Казалось бы правильный код, не работает совсем, либо работает не так, как предполагаешь. Либо вот только что работал, а теперь внезапно перестал!

Пытливый котенок, начинает искать взаимосвязь между своими действиями и результатом («голубиное суеверием»).

Самая большая драма

Ниже будет список странностей, но сначала самая большая драма, с которой я столкнулся: не все конструкции Verilog могут быть синтезированы в железе . Это связано с тем, что на Verilog описывается не только аппаратная логика, которая объединяется в модули и работает в железе. На том же Verilog описываются тестовые модули, которые объединяют тестируемые модули, подают на их входы тестовые сигналы и в целом существуют только для проверки на компьютере. Изменение значений сигналов во времени задается конструкциями, содержащим знак "#" в тексте Verilog. Такой знак означает задержку во времени. В примере выше именно так генерируется сигнал CLK. И я грешным делом думал, что таким же образом внутри настоящей ПЛИС можно генерировать, к примеру, последовательность бит для отправки сообщения по RS232. Ведь на вход ПЛИС подан сигнал от генератора 50 МГц! Может быть она как-то на него ориентируется. Как оказалось, я не единственный, кто надеялся на чудо: , , , , . Реальность как всегда оказывается более суровой: ПЛИС это набор логики и временная задержка в ней может появиться при использовании счетчика, значение которого увеличивается тактами от генератора до заданной величины, либо как-то иначе (но всегда аппаратно).

Список найденных странностей

Удивительные вещи, однако, прочтение книг проливает свет на эту бесовщину. Более того, обретается благодать.

Если обозначить reg, то не факт, что он будет создан

Как я пришел к проблеме? Допустим есть один модуль, на вход которого я должен подавать значение (по типу параметра). В перспективе, этот параметр должен будет изменяться во времени в зависимости от каких-то внешних событий. Поэтому значение должно хранится в регистре (reg). Но реализация приема внешних событий пока не реализована, поэтому я регистр не меняю, а просто задаю ему изначальное значение, которое в дальнейшем не меняется.

//задаю 8 битный регистр reg val; //инициирую его значением initial val <= 8"d0240; //wire к которому подключим выход из модуля wire out_data; //неведомый модуль, называется bbox //экземпляр этого модуля называется bb_01 //будем считать, что в модуле есть входной порт in_data и выходной out_data //во входной порт подаем значение с регистра val, а выход подключаем к wire - out_data bbox bb_01(.in_data(val), .out_data(out_data));
Казалось бы в чем подвох? В императивных ЯП мы часто задаем переменные в качестве констант и потом ни разу их не меняем и все работает. Что же мы видим в железе?


Во-первых, мы не видим регистра. Во-вторых, на вход модуля подано 8"hFF вместо наших 8"d0240! И этого уже достаточно для того, чтобы схема заработала не так, как мы планировали. То, что регистра нет - это нормально. В Verilog можно описывать логику разными способами, в то же время, синтезатор всегда оптимизирует аппаратную реализацию. Даже если написать блок always и в нем работать с регистрами, но при этом выходное значение всегда будет определяться входными, то применение регистра тут окажется лишним и синтезатор его не поставит. И наоборот, если при каких то значениях входных данных выходное значение не меняется, то тут никак не обойтись без регистра-защелки и синтезатор его создаст. (Книга 1 стр. 88-89). Что из этого следует? Если мы начнем менять значение регистра, например, в зависимости от нажатии кнопок, то геристр уже будет создан и все будет работать так, как нужно. Если же окажется, что кнопки ничего не меняют, то синтезатор его опять же выкинет и опять все поломается. Что же делать с константой? Нужно подать ее напрямую на вход модуля:

Bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(out_data));
Теперь на входе модуля мы имеем правильное значение:

Остается загадкой, почему при сокращении регистра, его значение в initial не подставляется на вход модуля.

Размерность wire лучше задавать самому.

При разработке в среде Quartus, допускается не задавать линии wire заранее. В этом случае они будут созданы автоматически, но об этом будет выдано предупреждение (warning). Проблема заключается в том, что разрядность wire будет 1-бит, а если порты будут иметь разрядность больше 1 бита, то значение не будет передано.

Bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(int_data)); other_bbox bb_02(.in_data(int_data), .out_data(out_data));
Предупреждение
Warning (10236): Verilog HDL Implicit Net warning at test.v(15): created implicit net for "int_data"
Результат:

Как видим, один бит подключен, а остальные 7 бит получаются не подключены (NC). Чтобы такой проблемы не было - нужно создать wire самостоятельно. Не зря компилятор IcarusVerilog выдает не warning, а ошибку, если wire не задан заранее.

Wire int_data; bbox bb_01(.in_data(8"d0240), .out_data(int_data)); other_bbox bb_02(.in_data(int_data), .out_data(out_data));

Компьютер не будет лазать по модулям, смотреть, какая разрядность портов. К тому же, разрядность может оказаться разной, а на вход модуля или с выхода берутся не все биты, а какие-то определенные.

Нельзя использовать выход логической функции, в качестве тактового сигнала

Иногда в проекте требуется снизить тактовую частоту, либо ввести временную задержку в N тактов. Новичёк может применить счетчик и дополнительную схему определения достижения счетчиком определенного значения (схема сравнения). Однако, если напрямую использовать выход со схемы сравнения в качестве тактового, то могут возникнуть проблемы. Это связано с тем, что логической схеме требуется некоторое время для установки стабильного значения на выходе. Эта задержка смещает фронт сигнала, проходящего через разные части логической схемы относительно тактового, в итоге получаются гонки, метастабильность, асинхронщина. Даже довелось однажды услышать реплику об этом в качестве критики ПЛИС: «с ПЛИС постоянные проблемы - гонки сигналов».

То становится ясно, каким образом разрабатываются устройства на ПЛИС: вся задача делится на аппаратные блоки, а данные между ними движутся по конвеерам, синхронно защелкиваясь в регистрах по тактовому сигналу. Таким образом, зная общую тактовую частоту, синтезатор рассчитывает максимальную частоту работы всех комбинаторных схем, определяет, укладывается ли их скорость к период такта и делает вывод - будет или не будет работать схема в ПЛИС. Все это происходит на этапе синтеза. Если схемы укладываются в параметры, то можно прошивать ПЛИС.

Таким образом, для разработчиков устройств на базе ПЛИС созданы все необходимые методологии, и если их придерживаться, то проблем не будет.

А что, если я хочу пойти против системы?

Порядок разработки и поведение синтезатора схем подводит нас к выводу о том, что же такое ПЛИС на аппаратном уровне. Это синхронные схемы. Поэтому, среди целей синтезатора - уложиться во временные интервалы. Для этого он, к примеру, упрощает логические выражения, выбрасывает из синтеза части схем, которые не используются другими схемами и не привязаны к физическим выводам ПЛИС. Асинхронные решения и аналоговые трюки не приветствуются, потому что их работа может быть непредсказуемой и зависеть от чего угодно (напряжение, температура, техпроцесс, партия, поколение ПЛИС), а поэтому не дает гарантированного, повторяемого, переносимого результата. А всем же нужен стабильный результат и общие подходы к проектированию!

Но что же делать, если вы не согласны с мнением синтезатора о том, что нужно выкидывать неизменяемые регистры, сокращать логические схемы? Как быть, если хотите делать схемы с асинхронной логикой? Нужна тонкая настройка? А может быть вы сами хотите собрать схему на низкоуровневых компонентах ПЛИС? Легко! Спасибо разработчикам Altera за такую возможность и подробную документацию!

Как это сделать? Можно попробовать графический редактор схем. Вы, возможно, слышали о том, что Quartus позволяет рисовать схемы? Можно самому выбрать стандартные блоки и соединить их. Но это не решение! Даже нарисованная схема будет оптимизирована синтезатором, если на это будет возможность.

В итоге мы приходим к старой истине: если ничего не помогает - прочитайте инструкцию . А именно «Altera Handbook» часть под названием «Quartus II Synthesis Options» .

Начнем с того, что описывая архитектуру на Verilog определенным образом, можно получить определенный результат. Вот примеры кода для получения синхронного и асинхронного RS триггера:

//модуль синхронного RS триггера module rs(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; always @(posedge clk) begin if (r) begin q <= 0; end else if (s) begin q <= 1; end end endmodule
В этом случае получится синхронный триггер.

Если не брать во внимание тактовый сигнал и переключаться в зависимости от любых изменений r и s, то в результате получится элемент с асинхронной установной значений - защелка (latch).

//пример модуль асинхронного RS триггера module ModuleTester(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; always @(r or s) begin if (r) begin q <= 0; end else if (s) begin q <= 1; end end endmodule

Module ModuleTester(clk, r, s, q); input wire clk, r,s; output reg q; DLATCH lt(.q(q), .clrn(~r), .prn(~s)); endmodule

В итоге, весь «обвес» на входе защелки, который синтезатор посчитал нужным, исчезнет и мы получим именно то, что хотели:

Список существующих примитивов можно посмотреть на сайте Altera.

А теперь небольшой пример про асинхронность и сокращение. Задумал я, к примеру, сделать генератор по тому же принципу, как это было принято делать раньше, но только на ПЛИС:

Но для увеличения периода я возьму 4 элемента, но только один из них будет с инверсией:

Module ModuleTester(q); output wire q; wire a,b,c,d; assign a = b; assign b = c; assign c = d; assign d = ~a; assign q = a; endmodule

Но получается сокращение (1 элемент, вместо четырех). Что логично. Но мы то задумывали линию задержки.

Но если поставить синтезатору условие, что линии a,b,c,d не сокращать, то получится то, что мы задумали. Для подсказки синтезатору применяются директивы . Один из способов указания - это текст в комментарии:

Module ModuleTester(q); output wire q; wire a,b,c,d /* synthesis keep */; // ^^^--- это директива для синтезатора assign a = b; assign b = c; assign c = d; assign d = ~a; assign q = a; endmodule
А вот и результат - цепочка из четырех элементов:

И это далеко не все! Оставлю на радость самостоятельного изучения: работу с case и директиву для реализации его в качестве RAM/ROM или логической схемой; работу со встроенными блоками памяти (RAM/ROM); выбор реализации умножения - аппаратным умножителем или логической схемой.

Внимание! Порядок добавления тегов имеет значение! Начинайте добавлять с наиболее важного. По возможности пользуйтесь уже существующими тегами

Поле, засеянное Массивами Программируемых Калиток

Начинаем курс лекций о том, что такое программируемая логика и как начать ее использовать на благо себя и ближнего своего…

ПЛИС - так ЭТО называется по-русски. П рограммируемая Л огическая И нтегральная С хема.
По-буржуйски это звучит несколько иначе - FPGA - F ield of P rogrammable G ate A rrays. Дословно это переводится как "Поле, засеянное массивами программируемых калиток."
Если быть чуть серьезнее, можно назвать это "Матрица программируемых вентилей"

Что такое вентиль?
Совершенно верно, это в подвале такая хреновина на водопроводной трубе, которую если завинтишь, то весь дом останется без воды. Короче говоря, это то, что может закрываться и открываться.

Так вот, пусть для вас это будет откровением, но каждая микросхема состоит из вентилей. Правда, они не совсем похожи на то, что у вас и у меня в подвале. Но делают они то же самое - открываются и закрываются.

Вентиль - это элементарная составляющая любой цифровой микросхемы.

Даже самый навороченный супермегапроцессор состоит из вентилей. Их в нем много, очень много, просто целое море. Естественно, что в каждой микросхеме вентили соединены определенным образом. Собственно, от того, как они соединены, и зависит функциональность микросхемы.

В обычных микросхемах схема соединения вентилей задается при изготовлении, и в последствии ее изменить уже нельзя.
ПЛИС позволяет нам задавать эту схему самим, и изменять ее как нам заблагорассудится уже при "жизни" микросхемы. Достаточно лишь нарисовать схему на компютере и при помощи программатора прошить ее в микросхему ПЛИС.

Это в-общем.

На самом деле, все гораздо сложнее:) Смотрим на рисунок

Это есть одна макроячейка - Macrocell по-ихнему.
Каждая микросхема ПЛИС состоит из таких вот макроце… макроячеек. Как видно из схемы макроячейки, она состоит из блока Look-Up Table (LUT ) - "Просмотровой таблицы", а также, триггера с синхронными и асинхронными входами и некоторой логики по входам триггера. Программируется, собственно, только LUT. Как видите, у нее 4 входа и один выход. Этот выход может быть подан как непосредственно на выход макроячейки (Q0), так на синхронный вход данных триггера (D).

LUT - это ни что иное как ПЗУ на 16 1-битных ячеек. При подаче на входы LUT (D0…D3) некой комбинации цифровых сигналов, она воспринимает их как адрес и выдает на выход содержимое ячейки по этому адресу.

Вообще, любая схема из логических элементов, у которой 4 входа (или меньше) и один выход, может быть описана таблицей истинности в 16 строк. Например, возьмем вот такую несложную схему, и напишем для нее таблицу истинности:

Таблица истинности описывает логический уровень выхода схемы (Q) для всех возможных комбинаций сигналов на входах (D0…D3). Точно так же в LUT каждой комбинации входных сигналов (читай - каждому адресу ПЗУ) сопоставлен свой выходной сигнал. То есть, в LUT прошивается таблица истинности той схемы, которую мы хотим видеть на его месте. Вот так все просто!

Если схема содержит более 4 входов или более 1 выхода - используются LUT нескольких макроячеек.

clear="all">

Но самое главное - это триггер. Ведь, как вы знаете (а может, еще не знаете), все регистры, счетчики и многие другие элементы цифровой техники состоят именно из триггеров. Так вот, количество макроячеек в микросхеме ПЛИС определяет количество триггеров. И наоборот:) Так что, выбирая микросхему для какого-либо проекта, надо предварительньно прикинуть, сколько триггеров будет в схеме, и брать с запасом…

На рисунке чуть ниже изображена структурная схема микросхем серии EPM7000 фирмы Altera Эта картинка дернута из даташита https://www.altera.com/literature/ds/m7000.pdf Она относится к микросхемам EPM7032, EPM7064, EPM7096. Дык вот, последние две цифры в названии обозначают именно количество макроячеек в микросхеме.

Как видно из схемы, макроячейки объединяются в "блоки логических массивов" (LAB - Logic Array Block).
Эти блоки соединяются между собой через "программируемый массив внутренних соединений" - programmable interconnect array (PIA).
Кроме того, LAB"ы подключаются к выводам микросхемы через блоки управления ввода/вывода (I/O Control Block).

При прошивке, в каждый из блоков "зашивается" своя информация:
- В Макроячейках программируются LUT"ы,
- в PIA зашивается информация о внутренних межблочных соединениях,
- в блоки управления ввода/вывода (I/O Control Block) зашивается информация о подключениях к ногам микросхемы.

По-серьезному, "прошивка" ПЛИС называется "загрузка конфигурации".

А как вы думаете, чем мы будем загружать конфигурацию???
Ну конечно же, старым добрым Байт Бластером! :) Байт бластер - это штука универсальная:) О том, как его сделать, подробнейшим образом я рассказывал вот

В ПЛИС для конфигурации используется оперативная память CRAM (Configuration RAM). Эта память распределена по всему кристаллу, значения, записанные в нее, управляют внутренним коммутационным полем, определяя структуру синтезируемого цифрового устройства. Как правило, в ПЛИС архитектуры FPGA эта память энергозависимая и при подаче питания на устройство требуется загрузить в нее значения из какого-либо внешнего (по отношению к кристаллу ПЛИС) носителя, часто для этих целей используется микросхема ПЗУ (Постоянное Запоминающее Устройство), либо , а в случае стенда LESO2, загрузка осуществляется из компьютера.

Одной из важнейших характеристик ПЛИС является ее логическая емкость. Емкость определяет насколько сложные цифровые устройства можно синтезировать. Другими словами, логическая емкость показывает сколько всего поместится в кристалле. Если вам уже доводилось компилировать в Quartus II проект для ПЛИС, то должны были обратить внимание на итоговый отчет, где указывается какие ресурсы и в каком количестве использованы в проекте, а также указывается процентное соотношение от максимального. Основной ресурс ПЛИС – это логические элементы (Logic Elements). В ПЛИС EP4CE6E22C8, а именно такая использована в учебном стенде, таких элементов 6272. Это много или мало? Для того, чтобы ответить на это вопрос, следует рассмотреть, что же из себя представляет этот логический элемент.

Базовый логический элемент

Из булевой алгебры известно, что используя некий элементный базис, например элемент И-НЕ или ИЛИ-НЕ, можно реализовать любую логическую функцию. Однако использование лишь одного типа элемента не всегда оправдано технически, при синтезе сложных устройств большое количество элементов увеличит время прохождения сигнала и тем самым снизит быстродействие. Поэтому в ПЛИС структуры FPGA в качестве простейшего логического элемента используют более сложную структуру, представляющей собой соединение программируемого комбинационного устройства и D-триггера . На рисунке 1 показана упрощенная структура такого элемента.

Рисунок 1 – Обобщенная структура логического элемента (LE) ПЛИС

Ячейка имеет три логических входа DATAA, DATAB и DATAC, вход тактовых импульсов CLK и один выход LEOUT. В случае если от ячейки требуется работа в качестве только комбинационного устройства, то выходной мультиплексор коммутирует выход элемента LUT на выход всей ячейки, если выход должен быть регистровым, то сигнал с LUT защелкивается по сигналу синхронизации в D-триггер, выход которого через мультиплексор соединяется с LEOUT. Управляющий вход мультиплексора (на рисунке не показан) подключен к соответствующему биту конфигурационной памяти CRAM.

Если ни у кого не вызывает вопросов как работает триггер и мультиплексор , то с элементом, обозначенным на схеме как LUT , все несколько сложнее. 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. Таким образом, для того, чтобы описать логическую функцию трех переменных (в приведенном примере именно три переменные: DATAA, DATAB и DATAC) достаточно памяти на 8 ячеек. Требуемая таблица истинности хранится в виде маски (LUT-mask) в соответствущей ячейке CRAM. С помощью мультиплексоров выбирается нужное значение. Мультиплексорами управляют сигналы входных портов для построения k-входовой LUT (k-LUT), которая реализует любую логическую функцию из k переменных, требуется 2 k бит SRAM и 2 k-1 мультиплексоров. На рисунке ниже показана трехвходовая LUT.

Рисунок 2 – Устройство LUT

При таком подходе можно достаточно точно спрогнозировать время прохождения сигнала и оно не будет зависеть от реализуемой логической функции. Эта важная особенность делает возможным временной анализ схемы.

Хорошо! Используя логический элемент, показанный на рисунке 1, можно получить любую логическую функцию трех переменных и ее регистровый вариант. А как быть, если нам понадобится реализовать какой-либо триггер, отличный от D-триггера? Для реализации некоторых типов достаточно имеющегося комбинационного устройства (LUT) на входе D-триггера, но для реализации всех известных триггеров нам все же придется внести некоторые изменения в базовую схему. Во-первых, необходимо ввести обратную связь: для этого с выхода D-триггера подадим сигнал на один из входов LUT. Для того, чтобы достигнутый ранее функционал не пострадал, мы не имеем право занимать уже имеющиеся входа, заменим LUT на 4-х входовый. Во-вторых, увеличим функциональность самого D-триггера, добавим дополнительные линии управления: вход разрешения ENA (от английского "Enable" – "Включить") и вход асинхронного сброса ACLR (от английского "Asynchronous Clear" – "Асинхронная Очистка"). В результате получим схему пригодную для синтеза любых триггеров:

Рисунок 3 – Структура логического элемента (LE) с обратной связью

Существует особый широко распространенный класс логических функций, который подразумевает наличие двух выводов. Речь идет о сумматорах. На вход полного двоичного сумматора поступает два операнда и флаг переноса из младшего разряда, а на выходе сумма и перенос в следующий двоичный разряд. Так как арифметические задачи типичны для ПЛИС, для работы с переносом в базовом логическом элементе предусмотрен специальный канал.

Рисунок 4 – Структура логического элемента (LE) с каналом переноса

Фактически для переноса требуется ввести дополнительную LUT, как показано на рисунке 4, но для простоты восприятия комбинацию LUT будем рассматривать как один целый модуль.

Используя канал переноса, легко объединить ячейки для получения многоразрядного сумматора. На рисунке 5 показана схема 4-разрядного сумматора с последовательным переносом, построенная на четырех базовых логических элементах.

Рисунок 5 – Четырехразрядный сумматор

При разработке базовой логической ячейки решались две задачи: во-первых, синтезируемые устройства должны обладать максимальным быстродействием, во-вторых, использование ресурсов должно быть как можно более полным. В предыдущем примере, если требуется работа сумматора исключительно как комбинационной схемы, выходные мультиплексоры сигнал возьмут с выходов LUT, а вся цепочка триггеров окажется неиспользованной. В противоположность этому, при синтезе последовательного или параллельного регистра, все LUT будут по сути выполнять функцию проводника: соединять вход LE с входом D-триггера. Небольшое дополнение к схеме, даст возможность при необходимости использовать комбинационное устройство и триггер элемента раздельно для синтеза независимых модулей. Мультиплексор на входе триггера позволит выбирать источник сигнала: либо с входа DATAC, либо с выхода LUT. Кроме того, появляется возможность организовать дополнительный канал соединения триггеров соседних LE для увеличения быстродействия при построении последовательных регистров. На рисунке 6 показана схема получившегося логического элемента. Вход REGIN и выход REGOUT образуют выделенный канал для соединения триггеров, вход SLOAD (от английского "Synchronous Loading" – "Синхронная загрузка") управляет выбором источника сигнала для входа триггера.

Рисунок 6 – Структура логического элемента (LE) с возможностью разделения LUT и триггера

Базовый логический ПЛИС Cyclone IV

Рассмотренный элемент LE в том или ином виде присутствует в различных семействах ПЛИС, в нем может быть увеличено количество входов и сложность LUT, добавлены дополнительные соединения внутри LE и порты для интеграции в глобальную коммутационную сеть ПЛИС. Так, например, в топовом семействе Stratix IV в один элемент входит две шестивходовые LUT, два выделенных полных сумматора и четыре триггера! Однако, с практической точки зрения, для эффективной работы со стендом LESO2 нам целесообразно рассмотреть более подробно реализацию LE в семействах Cyclone, в частности в Cyclone IV.

На рисунке 7 показана схема логического элемента ПЛИС Cyclone IV.

Рисунок 7 – Логический элемента (LE) Cyclone IV

Также, как и в базовом логическом элементе, каждый триггер имеет вход данных, вход тактовых импульсов CLK, вход разрешения ENA и вход асинхронного сброса (очистки) ACLR. Добавился сигнал синхронной очистки SCLR (от английского "Synchronous Clear" – "Асинхронная Очистка"): если на этом входе появится логическая единица, то следующим тактовым импульсом в триггер будет записал логический ноль. Все это позволяет настроить программируемый триггер каждой LE на работу в режиме D, T, JK или RS триггера.

Комбинационное устройство по сравнению с базовой схемой получило некоторое усложнение. На входе C LUT мультиплексор выбирает источник сигнала, благодаря чему LUT может реализовывать логическую функцию четырех переменных, кроме того, в качестве переменной может быть использован флаг переноса или выход собственного триггера.

В Cyclone IV LUT может работать в двух режимах: нормальном и арифметическом. при компиляции автоматически выберет оптимальный режим для реализации требуемой функции. Нормальный режим предназначен для реализации основной логики и различных комбинационных функций. В этом режиме четыре входа LE (DATAA, DATAB, DATAC, DATAD) поступают на четыре входа LUT. Компилятор автоматически выбирает вход переноса CIN, вход DATAC или выход триггера (цепь обратной связи) в качестве одного из входов LUT. Арифметический режим подходит для синтеза сумматоров, счетчиков, аккумуляторов и компараторов (цепей сравнения). В этом режиме LUT представляет собой полный одноразрядный сумматор, включающий обработчик логики флага переполнения. Компилятор сам создает цепи переноса во время синтеза многоразрадных арифметических устройств.

Можно обратить внимание, что на рисунке логического элемента Cyclone IV отсутствует выходной мультиплексор, на самом деле он есть и не один. Но для того, чтобы понять логику их работы, нужно рассмотреть LE в контексте общей архитектуры ПЛИС.

Логические элементы LE объединяются в логические блоки LAB (Logic array blocks). В Cyclone IV каждый LAB содержит:

• 16 логических ячеек;
• сигналы управления LAB;
• цепи флага переноса LE;
• цепи каскадного объединения регистров;
• цепи локальных соединений.

Цепи локальных соединений передают сигналы между ячейками LE в одном LAB. Цепи объединения регистров соединяют выход регистра одного LE с входами регистров прилегающих ячеек LE. Компилятор Quartus II размещает связанную логику в LAB или в соседних LAB, позволяя использовать локальные цепи связи и связи регистров для увеличения производительности и эффективности размещения.

На цепи локальных соединений поступают сигналы со строк и столбцов глобального коммуникационного поля и с выходов ячеек LE, принадлежащих этому же блоку LAB. Соседние логические блоки, блок генератора с фазовой автоподстройкой частоты (PLL), ячейки памяти M9K RAM, встроенные умножители, расположенные с правой или левой стороны через специальные соединители, могут быть напрямую подключены к цепям локальных соединений LAB. Таким образом, любая ячейка LE может иметь соединение с шестнадшатью LE из своего блока (включая саму себя) и тридцатью двумя LE из LAB, расположенных слева или справа. Всего до 48-ми соединений! Такие непосредственные прямые соединения минимизируют использование глобальных маршрутов, обеспечивают большую гибкость при синтезе схемы и увеличивают общее быстродействие.

На рисунке 8 показана интеграция блока LAB в глобальную коммуникационную сеть ПЛИС.

Рисунок 8 – Структура соединений LAB в коммутационном поле ПЛИС

Каждый LE имеет три выхода, которые обеспечивают соединение с коммутационным полем ПЛИС. Эти выходы поступают на строки и столбцы глобальных соединительных трасс и на маршруты локальных соединений. Как и в базовом логическом элементе, LUT или триггер могут независимо управлять этими выходами.

Для того, чтобы можно было управлять всеми ячейками LE в пределах одного LAB одновременно, в логический блок встроена специальная логика и выделены особые линии – каналы управления. По таким каналам распространяются широковещательные (в пределах одного LAB) сигналы управления. Архитектура позволяет одновременно использовать до восьми управляющих сигналов:

• два тактовых сигнала (labclk1 и labclk2);
• два сигнала разрешения (labclkena1 и labclkena2);
• два сигнала асинхронного сброса (labclr1 и labclr2);
• сигнал синхронного сброса/очистки (synclr);
• сигнал синхронной загрузки (syncload).

Сигналы синхронной загрузки и сброса удобно использовать для синтеза различных счетчиков и регистров. Эти сигналы оказывают воздействие на все триггеры LE в пределах одного LAB.

На рисунке 9 показано подключение управляющих сигналов LAB и цепей локальных соединений к логической ячейке. Выводы LE соответствуют рисунку 7.

Рисунок 9 – Структура взаимодействия LE с сигналами управления

Каждый LAB имеет два тактовых сигнала и два сигнала разрешения. На уровне логического элемента выбирается какой сигнал будет подан на триггер, но тактовый сигнал связан с сигналом разрешения. Поэтому, хотя для любого LE в конкретной LAB можно выбрать какой тактовый сигнал использовать: labclk1 или labclk2, вместе с ним должен использоваться соответствующий сигнал разрешения. Например, если используется labclk1, вместе с ним будет использоваться только labcken1. Если LAB использует оба фронта (нарастающий и падающий) тактового сигнала, то будут задействованы оба канала тактирования, при этом логика выбора усложнится.

Chip Planer

После компиляции в окне Flow Summary можно посмотреть, какие ресурсы были использованы. После небольшого экскурса в архитектуру ПЛИС становился понятно, что значит Total logic elements и почему Total combinational function вынесено отдельной графой. Безусловно информация полезная, но для того, чтобы держать руку на пульсе этого явно недостаточно.

Рисунок 10 – Отчет компиляции

Для визуального контроля используемых ресурсов в Quartus II применяется утилита Chip Planer . Она показывает расположение и использование элементарных блоков в общей архитектуре целевой ПЛИС. Запустить Chip Planer можно из среды Quartus: меню Tools -> Chip Planer. На карте кристалла (рисунок 11) показаны все ресурсы ПЛИС: LE, объединенные в LAB, аппаратные умножители (DSP block), ячейки памяти, буферы ввода вывода, генераторы PLL. Цветом показана степень использования: светлым – неиспользуемые блоки, темным – максимально загруженные. Если увеличить масштаб (соответствующий инструмент на панел или ctrl+колесико мышки), то доступна детализация на уровне LE, здесь синим показан LUT, темно красным – триггер.

Большую детализацию можно получить если на панели Layers Settings сменить Basic на Detailed. В этом режиме при приближении видны локальные и глобальные цепи соединений, глобальные линии управления и управляющие сигналы LAB.

Рисунок 11 – Карта ресурсов ПЛИС

Если в LE выделить LUT или триггер, то на панели Node Properties можно увидеть схему LE и описание свойств и режимов работы. Двойной клик мыши по LUT или триггеру запустит в новом окне инструмент Resource Property Editor, в котором можно исследовать соединения внутри логического элемента. Синим выделены используемые цепи.

Рисунок 12 – Логический элемент в Resource Property Editor

Вместо заключения

Это далеко не полное описание архитектуры ПЛИС, за кадром остались такие важнейшие элементы как DSP блоки (умножители), блоки оперативной памяти, генератор PLL, буферы ввода-вывода, в последующих статьях цикла я постараюсь уделить им должное внимание. Однако следующий материал будет посвящен применению знаний о структуре логического элемента LE и об их объединении при проектировании простейших цифровых устройств.