Почему ПЛИС PLD и CPLD используют при обучении схемотехнике?

Alan Dobson.
Источник: http://www.matrixmultimedia.com/datasheets/CPLD%20article.pdf?PHPSESSID=%24PHPSESSID
Перевод:Хомаха А.В.

Недавно мы анализировали программируемые логические устройства (PLD). Мы считаем, что они имеют существенное значение в обучении электронике по нескольким причинам:

- ПЛИС является полезным компонентом в электронных системах.

- Использование устройств серии 74 находится в упадке

- PLD технологии уделяется большее внимание в новой системе BTEC высшего учебного плана (прим. перев. BTEC – ситема обучения в Великобритании).

- Навыки программирования PLD являются полезными в будущем, при овладении FPGA.

Предпосылки

Сначала немного истории: в 1980х, когда PLD только пришли на рынок, разработка под микроконтроллеры была очень неизящна: микроконтроллеры были большими по размерам, дорогими, с однократным программированием (OTP) и неширокодоступны. Использование PLD в то время можно было легко оправдать этими факторами. PLD были основаны на относительно дешевой технологии - однократно программируемом PROM и они позволяли разработчикам объединять присущую многим 74xx 'связующую логику' в системы из одного чипа. Это увеличило надежность конструкции, уменьшило цикл проектирования, сократило количество компонентов, площадь печатных плат и уменьшило стоимость. В то время, устройства типа 22V10, содержащие 10 триггерных микроячеек и связанных комбинационных логических элементов, стали очень популярными среди разработчиков.

An 84 pin 128 macrocell CPLD from Altera

В наши дни для проектов низкой стоимости где перепрограммируемые микроконтроллеры являются предпочтительным выбором для многих приложений, PLD используется по ряду причин: микроконтроллеры, работающих на скорости 40 МГц – довольно избитое решение, разработка для микроконтроллеров считается легче, чем для ПЛИС и большинство электронных устройств уже содержат микроконтроллер с, возможно, избытком вычислительной мощности и запасными пинами. Однако у PLD есть еще одно большое преимущество перед микроконтроллерами: скорость. Время передачи через PLD имеет значение всего-лишь несколько наносекунд, что делает их примерно в 100 раз быстрее, чем средний микроконтроллер у которых, как правило, занимают несколько циклов инструкции для завершения даже простейшей операции. Это делает PLD еще полезным в случаях, когда скорость имеет решающее значение, таких как управление автобусом или мультиплексирование данных. Так что моя первая причина для использования PLD технологии в преподавании электроники, является то, что устройства - даже скромный 22V10 - до сих пор годятся для использования в современных электронных системах.

Смерть 74xx устройств

Когда какая-нибудь электроника попадает к нам в офис, то одной из первых вещей, которые я делаю, это разбираю его на части, чтобы посмотреть, что находится внутри. Я болею этим с самой молодости (мои первые часы Timex на мой седьмой день рождения прожили около 3 часов), однако оборотная сторона этой привычки в том, что много раз я не был в состоянии собрать вещи обратно воедино. Достоинством является то, что я, как правило, хорошо разбираюсь в устройствах, используемых в современных электронных системах. В последние несколько лет, я только однажды видел 74xxx, который использовался для буферизации сигналов и генератора тиков. Времена использования дискретных 74xx устройств для создания комбинационных или последовательных логических схем в современных электронных системах практически окончены. Так что моя вторая причина для использования PLD технологии в преподавании электроники является то, что 74xxx серии комбинационных и последовательных чипов в настоящее время используется редко, и имеет смысл изучать их как часть современной цифровой электроники использующей ПЛИС.

ПЛИС уже в учебной программе

Это просто: в новом BTEC для высшей школы, который вступил в силу в 2004 году, PLD технология получает в три юнита (цифровое и аналоговое проектирование, электронные системы автоматизированного проектирования и комбинационная и последовательная логики). Так что моей третьей причиной для использования PLD технологии в преподавании электроники является то, что они уже находятся в программе.

Complex Programmable Logic Device (CPLD)

Хотя устройства, такие как 22V10 позволило разработчикам пользоваться связующей логикой в виде 74xxx ИС, существуют приложения, где необходимы более сложные блоки логики и, следовательно, CPLD b были разработаны. CPLD - в основном это набор PLD в одном чипе с еще большим количеством программируемых соединений между внутренними блоками PLD. Объединение в одну PLD структура имеет преимущество - меньшее количество компонентов на плате повышает надежность и увеличивает скорость общей цепи.

Чтобы дать вам представление о том, где эта технология имеет преимущество, скажу: на сегодня у CPLD доступны до 512 триггерных макроэлементов в сборке, до 208 пинов и огромный соединительный и комбинационный логический массив соединений триггеров.

В наших системах проектирования мы используем устройство, которое содержит 128 флип-флоп макроячеек. Трудно сказать, чему это эквивалентно в сравнении с количеством 74xxx устройств, но я подозреваю, что это будет более чем достаточно для традиционных проектов с комбинированной и последовательной логикой.

A 240 pin 10,000 macrocell FPGA from

Altera

FPGA

FPGA (Field Programmable Gate Arrays) это больше родственники CPLD. Они используют различные с CPLD технологии, но они программируются с использованием того же программного обеспечения, что и CPLD. Методами, используемые при разработке проектов CPLD применяются и к разработке FPGA проектов. FPGA являются программируемыми много раз, и средства разработки под них не так уж сложны в использовании.

Однако эквивалентные по размерам макроячейки FPGA открывают новые возможности для разработчиков. Большой FPGA содержит эквивалентно где до 100.000 тригерных макроэлементов, небольшой FPGA может содержать 10000 макроэлементов для стоимости в районе $ 20. Чтобы дать вам представление о том, на что они способны, скажу, что типичный процессор будет занимать около 2000 макроэлементов. Это означает, что в небольшом FPGA достаточно места для ядра процессора, небольшого ROM, RAM и достаточно еще места для драйвера дисплея, I/O схемы и коммуникационного интерфейса. Все эти перепрограммируемые и разрабатываемые элементы (ядро процессора,ROM, RAM и т.д.) доступны в виде готовых, выпускаемых промышленностью легко интегрируемых частей.

The System On Chip concept allows higher levels of

integration and reduced design time

Первоначальными причинами для использования PLD в 80-х было то, что они увеличиливали надежность, ускоряли скорость проектирования, уменьшали площадь платы и стоимость. Те же факторы, в настоящее время говорят в пользу того что тяжелые системы маленьких размеров должны использовать FPGA, т.к. все аппаратное и программное обеспечение могут содержаться в одном устройстве FPGA. Эта новая концепция дизайна называется «System On Chip» (SoC).

Что касается преподавания, я обеспокоен тем, что есть и обратная сторона технологии FPGA - она является относительно дорогой, FPGA необходима «загрузка» данных EEPROM или микроконтроллера каждый раз при включении, и FPGA упакованы с высокой плотностью (100 пинов минимум), что являются не самым оптимальным для образования.

Так что моя четвертая причина для использования PLD технологии в преподавании электроники является то, что таким образом зарабатываются предварительные навыки, необходимые для работы с FPGA и это навыки, в которых промышленность все больше нуждается и ценит.

Я бы очень хотелось услышать ваше мнение по этой статье - пожалуйста напишите мне на john@matrixmultimedia.co.uk.

Джон Добсон