Рыжков Андрей, г. Ульяновск

Будем считать, что функции проектируемого устройства на базе ПЛИС определены. Разобьем весь процесс проектирования цифрового устройства на отдельные этапы:

1. Анализ схемотехнической реализации цифрового устройства на базе БИС программируемой логики (ПЛИС);
2. Составление структурой схемы разрабатываемого устройства, в том числе схемы электрической принципиальной;
3. Составление функциональной схемы разрабатываемого устройства;
4. Создание функционально-математической модели разрабатываемого устройства, программного обеспечения для тестирования данной модели и проведение моделирования;
5. Проведения анализа моделирования разработанной функционально-математической модели и принятие решения о ее реализации;
6. Разделение на программную и аппаратную части функций разрабатываемого цифрового устройства;
7. Выбор элементной базы (аналоговой и цифровой) для схемы электрической принципиальной;
8. Выбор программного обеспечения:

• ПО для разработки схемы электрической принципиальной;
  
• ПО для разработки, моделирования и программирования проекта vhdl для ПЛИС;
  
• ПО для моделирования всей аппаратно-программной системы.
  

9. Разработка схемы электрической принципиальной цифрового устройства в базисе ПЛИС;
10. Разработка проекта vhdl ПЛИС, моделирование данного проекта;
11. Разработка программной части аппаратно-программной системы;
12. Моделирование аппаратно-программной системы в целом;
13. Анализ полученных результатов и принятие решение о выдачи исходных данных для производства разработанного цифрового устройства устройства;
14. Проведение регулировки разработанного устройства, проверка всех его функций;
15. Анализ полученных результатов.

Проведем анализ трудоемкости и возникающих проблем при реализации каждого этапа проектирования в отдельности.

Этап 1. Анализ схемотехнической реализации

Анализ схемотехнической реализации заключается в определение физической возможности реализации проектируемого устройства с требуемыми параметрами. Разрабатываемые аппаратно-программные системы делятся на аппаратуру общего и специального назначения. Аппаратура общего назначения практически не имеет ограничений по используемой элементной базе в отличии от аппаратуры специального назначения. Такой тип аппаратуры требует от разработчика использования максимально возможного количества элементной базы отечественного производства с "военной приемкой" и допускает использование импортной элементной базы включенной в специальную номенклатуру лишь при полном отсутствии отечественных аналогов. Зачастую заявленные требования к разрабатываемому устройству специального назначения очень завышены и не могут быть реализованы в рамках действующих правил. Здесь возникает вопрос: либо изменение требуемых параметров, либо разрешение использования не включенной в специальную номенклатуру импортной элементной базы. После решения всех вышеозначенных вопросов можно приступить к следующему этапу разработки.

Этап 6. Разделение на программную и аппаратную части функций разрабатываемого устройства

Разделение на программную и аппаратную части функций разрабатываемого устройства включает в себя следующее:
оценка необходимого быстродействия выполняемых функций;
определения допустимой загруженности программной части;
разбиение алгоритма на функциональные блоки, выполняющие определенные функции;
оценка целесообразности размещения таких блоков либо в программной, либо в аппаратной части проектируемого устройства;
оценка времени разработки недостающих функциональных блоков, как в программной, так и в аппаратной части. По результатам отдается предпочтение размещения в соответствующей части устройства разрабатываемого функционального блока;
анализ всех результатов, полученных в вышеописанных пунктах и принятие решения о реализации функций устройства.
Отсутствие большого числа готовых решений (функциональных блоков) как в программной, так и аппаратной частях делает этот пункт весьма трудоемким.
Определяющем фактором на этом этапе является необходимое для разрабатываемого устройства быстродействие. Если необходимо его максимальное значение, то, несомненно, надо разместить максимально возможное количество функциональных блоков в аппаратной части, так как они обеспечат это требование. В связи с этим время, потраченное на разработку необходимых решений в аппаратной части становится не критичным параметром.
После определения состава всех функциональных блоков и места их размещения переходим к следующему этапу разработки.
Этап 7. Выбор элементной базы
Как ранее отмечалось, выбор элементной базы весьма трудоемкий процесс. В зависимости от назначения (общего или специального) аппаратно-программной системы элементная база выбирается по следующим критериям:
страна-производитель (импортная или отечественная элементная база);
для отечественной элементной базы - наличие приемки (приемка "1", "военная приемка" и др.), минимальная партия, сроки поставки, цена; -
для импортной элементной базы - наличие в специальной номенклатуре, разрешающей использование в аппаратуре специального назначения, наличие поставок в Россию, минимальная партия, сроки поставки, цена;
наличие доступной информации, описывающей работу микросхем;
наличие отладочных комплектов для сложных ИС;
использование в ранее разработанных устройствах. Все вышеперечисленные факторы являются определяющими при выборе элементной базы во вновь разрабатываемой аппаратуре.

Этап 8. Выбор программного обеспечения

Выбор программного обеспечения целиком завит от выбранной элементной базы и предпочтений разработчика. Как правило, берется ранее используемое ПО, если оно поддерживает выбранную элементную базу. Существует большое количество САПР, поддерживаемых различные типы микросхем. Главными критериями при выборе становится наличие необходимых функций для разработки аппаратно-программной системы и поддержка используемой элементной базы.

Этап 9. Разработка схемы электрической принципиальной.

Сложный и трудоемкий процесс, включающий в себя целый комплекс работ по подключению выбранных в соответствии с ТЗ на разрабатываемое цифровое устройство элементов.

Этап 10. Полное описание маршрута проектирования ПЛИС

Полное описание маршрута проектирования ПЛИС включает в себя следующие процедуры:
проверка корректности исходного алгоритма функционирования ПЛИС и формирование абстрактного описания проекта;
выбор базовой технологии и типов функциональных блоков (регистры, сумматоры, мультиплексоры и т.п.) из библиотеки функциональных компонентов;
составление расписания операций, т.е. распределение операций по временным тактам и функциональным блокам; определение типов операционных блоков (комбинационные, последовательностные) и исходных данных для синтеза управляющих блоков;
синтез схем операционных и управляющих блоков; верификации выбранного решения, представленного на уровне RTL;
разработка логических схем путем перевода RTL-модели в модель вентильного уровня с помощью компиляторов логики и библиотек логических элементов; оптимизация и верификация логических схем;
синтез схем тестирования и тестовых наборов;
конструкторско-технологическое проектирование (планирование кристалла, размещение компонентов и трассировка межсоединений);
верификация динамических параметров схемы с учетом задержек в проведенных межсоединениях;
синтез файлов с управляющей информацией для генераторов изображений.
В современных системах структурного синтеза на функционально-логическом уровне стремятся получить не просто работоспособное решение, но решение с оптимальным компромиссным удовлетворением требований к площади кристалла, быстродействию, рассеиваемой мощности, а в ряде случаев и к тестируемости схемы. Формализация процедур структурного синтеза в общем случае затруднительна, поэтому для их эффективного выполнения обычно используют специализированные программы, ориентированные на ограниченный класс проектируемых схем.
Характерные особенности технологии изготовления и проектирования имеются у микропроцессоров и схем памяти, у заказных и полузаказных СБИС (ASIC - Application-Specific Integrated Circuits), в том числе у программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Эти особенности обусловливают различия в методах проектирования схем и требуют их отражения в применяемом математическом и программном обеспечении ECAD.
В случае CPLD для отражения структуры конкретной схемы в инвариантном по отношению к приложению множестве функциональных ячеек требуется выполнить заключительные технологические операции металлизации.
В случае FPGA программатор по заданной программе просто расплавляет имеющиеся перемычки (fuse) или, наоборот, создает их, локально ликвидируя тонкий изолирующий слой (antifuse). Следовательно, при использовании CPLD и FPGA необходимо с помощью САПР выбрать систему связей между ячейками программируемого прибора в соответствии с реализуемыми в схеме алгоритмами и синтезировать программы управления программатором или заключительной операцией металлизации. Ячейки могут быть достаточно сложными логическими схемами, вентилями или даже отдельными транзисторами.
Далее необходимо в САПР произвести моделирование всех функций и убедится в их полном выполнении, в обратной случае вернутся к начальному этапу проектирования проекта для ПЛИС.

Этап 11. Разработка программной части аппаратно-программной системы.

Разработка программной части аппаратно-программной системы производится программистом в виде тест-программы. Функции, выполняемые тест-программой, определены на этапе разделения на программную и аппаратную части функций разрабатываемого устройства.

Этап 12. Моделирование аппаратно-программной системы в целом

В специализированной САПР типа OrCAD возможно провести моделирование аппаратно-программной системы в целом. Этот САПР обладает всеми необходимыми свойствами и функциями необходимыми для этого. Однако этот процесс очень трудоемок и в большинстве случаев разработчики этим этапом попросту пренебрегают. Цена этому пренебрежению в большинстве случаев необходимость доработок уже изготовленного образца продукции. Вследствие этого дополнительные финансовые и временные затраты и удорожание конечного продукта.

Этап 13. Анализ полученных результатов и принятие решение о выдачи исходных данных для производства разработанного цифрового устройства устройства

Проделав всю вышеозначенную работу, разработчик совместно с заказчиком принимают решение об изготовлении опытного образца. Для этого подготавливаются все необходимые для изготовления документы и передаются в производство.

Этап 14. Проведение регулировки разработанного устройства, проверка всех его функций

Регулировка разработанного устройства и проверка всех его функций является одним из самых важных этапов на всем маршруте проектирования аппаратно-программного комплекса. Разработчик проектируемого устройства совместно с программистом отлаживает и проверяет выполнение всех функций, заложенных в техническое задание на аппаратно-программную систему. Этот процесс может занять от нескольких дней до нескольких месяцев, так как по результатам этой работы делается заключение о работоспособности разработанного устройства.

Этап 15.Анализ полученных результатов

На данном этапе подводятся итоги всей работы. Проводится анализ схемотехнической реализации и программной части разрабатываемого устройства. Проверяются отчеты о проделанной на каждом этапе разработке работы. Выявляются и устраняются недостатки в аппаратно-программной системе. Заказчик принимает решение о завершении разработке и передачи необходимой документации для серийного или иного производства. Таким образом, мы провели анализ всех этапов разработки аппаратно-программной части. Сделаны акценты и выявлены проблемы, с которыми сталкиваются разработчики подобного вида радиоэлектронных систем.

[источник]