Предпоследний год тысячелетия - наиболее подходящее время для написания обзоров, подведения итогов и определения перспектив. В этой статье авторы хотели бы в сжатой форме довести до читателя ту информацию, которую приходиться собирать из разных источников. Эта статья является логическим продолжением цикла предыдущих работ авторов [1-5], среди которых как разработчики аппаратуры цифровой обработки сигналов (ЦОС) на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), так и представители фирмы-дистри-бьютора этой продукции.
Как известно, программируемые логические интегральные схемы в их простейшем варианте (PAL - Programmable Array Logic и GAL - Gate Array Logic) появились около 20 лет назад. До середины 80 годов они являлись вспомогательной элементной базой для создания единичных и малосерийных несложных комбинационных и последовательностных автоматов сложностью до нескольких десятков эквивалентных вентилей 2И-НЕ.
С середины 80-х годов началась новая эра в развитии ПЛИС. Период с 1983 по 1985 год замечателен тем, что в это время были основаны три ведущих корпорации - основные разработчики ПЛИС. В июне 1983 года основана фирма Altera Corporation, (101 Innovation Drive, San Jose, CA 95134, USA, www.altera.com), в феврале 1984 компания Xilinx, Inc. (2100 Logic Drive, San Jose, CA 95124-3400, USA, www.xilinx.com), в 1985 году - Actel Corporation (955 East Arques Avenue, Sunnyvale, CA 94086-4533, USA, www.actel.com). Эти три компании занимают до 80% всего рынка ПЛИС и являются основными разработчиками идеологии их применения. С момента своего основания эти и ряд других компаний активно разрабатывают новые классы и семейства ПЛИС, отличающиеся наличием новых функций. Обозначилась тенденция специализации рынка, когда та или иная компания-разработчик является лидером по одному из направлений. Одна из целей этой статьи - дать разработчику аппаратных средств ЦОС информацию о последних (в течение 1999 года) достижениях в области ПЛИС, с тем, чтобы при проектировании новых устройств использовалась действительно подходящая элементная база.
Каковы же на данный момент основные направления развития технологии ПЛИС?
Во-первых, за последние два года резко возросла логическая емкость (количество вентилей на кристалле) ПЛИС. Так, выпускаемые по SRAM (Sequel Random Access Memory) технологии FPGA (Field Programmable Gate Arrays) микросхемы фирм Altera и Xilinx перешагнули рубеж в 1 миллион эквивалентных вентилей 2И-НЕ на кристалле.
ПЛИС становятся основой для «систем на кристалле» (system-on-chip, SOC). В основе идеи SOC лежит интеграция всей электронной системы в одном кристалле (например, в случае ПК такой чип объединяет процессор, память и т. д.). Компоненты этих систем разрабатываются отдельно и хранятся в виде файлов параметризируемых модулей. Окончательная структура SOC-микросхемы выполняется на базе этих «виртуальных компонентов», называемых также «блоками интеллектуальной собственности» с помощью программ систем автоматизации проектирования (САПР) электронных устройств - EDA (Electronic Design Automation). Благодаря стандартизации в одно целое можно объединять «виртуальные компоненты» от разных разработчиков. Примером новых семейств ПЛИС, пригодных для реализации «систем - на - кристалле», является семейство APEX20K фирмы Altera, основные характеристики которого приведены в таблице 1.
Архитектура APEX20K сочетает в себе как достоинства FPGA ПЛИС с их таблицами перекодировок (ТП) или LUT (Look-up table), входящими в состав логического элемента ПЛИС, так и логику вычисления СНДФ (Сокращенная Нормальная Дизъюнктивная Форма), характерную для ПЛИС CPLD (Complex Programmable Logic Devices) - ПЛИС с высокой степенью интеграции элементов на кристалле (рис.1).
Таким образом, новые семейства ПЛИС пригодны как для решения задач ЦОС, так и для реализации сложных логических автоматов, типа специализированных контроллеров и т.п. Среди других семейств ПЛИС большой емкости следует отметить семейство Virtex фирмы Xilinx (таблица 2), семейство ProASIC фирмы Actel, отличительной особенностью которого является энергонезависимость интегрированного на кристалле запоминающего устройства благодаря применению FLASH технологии.
Во-вторых, резко снижаются цены на ПЛИС большой емкости. Так, цены на ПЛИС серии 10К100 фирмы Altera емкостью 100 000 эквивалентных вентилей за год упали практически на порядок. Это позволяет применять такие устройства в проектах со средним и даже малым бюджетом (до $10 000), что весьма актуально для посткризисной России.
В - третьих, в 1998 - 1999 годах началось изменение отношения к программному обеспечению САПР ПЛИС как со стороны разработчиков ПО, так и пользователей. Если до конца 1990 годов основным средством описания проекта являлся ввод схемы с по-мощью графических редакторов с использованием библиотек стандартных логических примитивов (логических элементов, простейших комбинационных и последовательностных функциональных узлов, аналогов стандартных ИС малой и средней степени интеграции (74-й серии)), то в настоящее время актуальным является использование языков описания аппаратуры (Hardware Description Languages) для реализации алгоритмов на ПЛИС. Причем в современных САПР поддерживаются как стандартизованные языки описания аппаратуры, такие как VHDL, Verilog HDL, так и языки описания аппаратуры, разработанные компаниями-производителями ПЛИС специально для использования только в своих САПР и учитывающие архитектурные особенности конкретных семейств ПЛИС. Примером может служить язык AHDL (Altera Hardware Description Languages), поддерживаемый САПР MAX Plus 2 и Quartus компании Altera. Кроме того, многие крупные фирмы-производители программного обеспечения (ПО) САПР интегральных схем активно включились в процесс создания ПО, поддерживающего ПЛИС различных производителей. Это позволяет проводить разработку алгоритмов, пригодных к реализации на ПЛИС не только разных семейств, но и различных производителей, что облегчает переносимость алгоритма и ускоряет процесс разработки. Примером таких систем являются продукты серии FPGA Express фирмы Synopsys, OrCAD Express фирмы OrCAD, продукты фирм VeryBest, Aldec, Cadence Design Systems и многих других.
С ростом логической емкости кристалла ПЛИС стало обычным явлением участие третьих фирм в разработке фирменных пакетов САПР ПЛИС. Примером являются поставляемый фирмой Xilinx пакет ПО Aliance, содержащий в своем составе компилятор FPGA Express фирмы Synopsys, пакет Actel DeskTOP, содержащий средства ввода проекта, моделирования, генерации тестов разработки VeriBest и средства синтеза разработки Synplicity; пакет FPGA Compiler II Altera Edition фирмы Synopsys; а также САПР для ПЛИС фирмы Atmel.
Новым является наличие достаточно развитых бесплатных версий САПР. Так, если всего два-три года назад бесплатные САПР поддерживали только младшие модели ПЛИС (до 10 000 эквивалентных вентилей), в них отсутствовали опции временного моделирования, ввода с по-мощью языков описания архитектуры, то теперь ситуация коренным образом поменялась. В качестве примера в таблице 3 приведены основные характеристики пакета MAX+PLUS II BASELINE ver. 9.3 фирмы Altera, который можно бесплатно «скачать» с сайта www.altera.com или получить на CD Altera Digital Library.
Также характерным в настоящее время является наличие готовых модулей (ядер - cores), мегафункций (megafunctions), предназначенных для решения достаточно сложных задач обработки сигналов. Быстрыми темпами идет разработка готовых функций усилиями третьих фирм. Так, в августе 1995 года была создана программа поддержки партнеров - разработчиков мегафункций (AMPP, ALTERA Megafunction Partners Program). К 1999 году в данной программе участвует 21 независимая фирма-разработчик. Основную массу разработок составляют мегафункции, реализующие стандарт-ные микропроцессоры и микроконтроллеры, устройства обслуживания шинных магистралей (ISA, PCI), сетевые контроллеры и т.д. Типичными предложениями средств ЦОС являются мегафункции, реализующие быстрое преобразование Фурье (БПФ) и фильтры конечной импульс-ной характеристики (КИХ-фильтры). Фирма Vendor объявила о реализации фильтра бесконечной импульсной характеристики (БИХ-фильтра) и медианного фильтра. Лидером по разработке мегафункций в области ЦОС является фирма Integrated Silicon Systems (ISS). Этой фирмой разработаны библиотеки мегафункций БИХ-фильтров, фильтров обработки изображений, медианных фильтров, а также мегафункции, реализующие некоторые алгоритмы адаптивной обработки сигналов.
В составе САПР ПЛИС фирмы Xilinx имеется генератор логических ядер (CORE Generator). Сгенери-рованные ядра (LogiCORE) пред-ставляют собой функциональные параметризированные блоки системного уровня, предназначенные для применения в цифровой обработке сигналов. В таблице 4 приведены сведения о некоторых логических ядрах фирмы Xilinx, предназначенных для реализации алгоритмов ЦОС.
Кроме того, фирма Xilinx поддерживает программу разработки готовых решений для САПР ПЛИС AllianceCORE.
Однако, на рынке пока отсутствует ПО для реализации нелинейных, оптимальных и большинства типов адаптивных структур, не реализованы давно известные алгоритмы последовательностной фильтрации. Между тем существует огромная потребность в реализации известных и хорошо обоснованных теоретически алгоритмов, тем более, что становится обычным применение импортной элементной базы и в разработках специального назначения.
Представляется целесообразным формирование цивилизованного российского рынка программных продуктов для ПЛИС с учетом отечественной специфики и огромного числа устройств, до сих пор не реализованных в виде мегафункций.
Литература
1. Губанов Д.А., Стешенко В.Б., Храпов В.Ю., Шипулин С.Н. Перспективы реализации алгоритмов цифровой фильтрации на основе ПЛИС фирмы ALTERA. // Chip News, № 9-10, 1997, с. 26 - 33.
2. Губанов Д.А., Стешенко В.Б. Методология реализации алгоритмов цифровой фильтрации на основе программируемых логических интегральных схем. // Сборник докладов 1-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применения» 30.06-3.07.1998, Москва, МЦНТИ, том 4, с. 9 - 19
3. D.Gubanov, V.Steshenko Metho-dology Of Digital Filters Design For Programmable Logic Devices Implemen-tation // Proceedings DSPA'98, 30.06-3.07.1998, Moscow, ICSTI, Vol. 4-Е
4. Щербаков М.А., Стешенко В.Б., Губанов Д.А. Цифровая полиноминальная фильтрация: алгоритмы и реализация на ПЛИС // Инженерная микроэлектроника, №1 (3), март 1999, с.12-17
5. Губанов Д.А., Стешенко В.Б., Шипулин С.Н. Современные алгоритмы ЦОС: перспективы реализации. // Электроника: наука, технология, бизнес, №1, 1999, с.54-57