Области применения микросхем с программируемой логикой

Вначале развитие FPGA рассматривалось как перенос концепции БМК в область со­здания малотиражной аппаратуры, а развитие CPLD - как средство замены нескольких PLD на одну микросхему, однако позднее свойство репрограммируемости чрезвычайно расширило сферу применения БИС/СБИС ПЛ. Эффективность БИС/СБИС ПЛ стимули­рует быстрый рост соответствующих отраслей промышленности и объемов их производ­ства, научных исследований по развитию их архитектур, схемотехники, алгоритмов ре­шения практических задач.

Согласно мнению, высказанному в одной из публикаций в известном журнале «Electronic Design», микросхемы с программируемой логикой произведут в ближайшие годы такую же революцию в микроэлектронике, как микропроцессоры в 1970-х.

Возможности применения микросхем с программируемой логикой в системах обра­ботки информации самых разных видов настолько обширны, что их рассмотрение в рам­ках одного подпараграфа не представляется возможным. Поэтому ограничимся лишь несколькими примерами.

Построение реконфигурируемых систем. В аппаратуре различного назначения не­редко встречаются ситуации, в которых те или иные блоки работают поочередно. Напри­мер, в системе передач сообщений с помощью помехоустойчивых кодов средства коди­рования используются в процессе выдачи данных в канал связи, а средства декодирова­ния - при их приеме. Поэтому не обязательно иметь два устройства (кодер и декодер), а можно иметь одну ИС ПЛ с двумя различными конфигурациями, хранимыми в энергоне­зависимой памяти и используемыми поочередно. Таким образом, одна и та же аппара­тура может решать несколько задач после соответствующей перестройки. Технико-экономические выгоды такого варианта очевидны.

В настоящее время развивается концепция систем с динамической реконфигураци­ей (Run - Time Reconfiguration), применимая в системах с выполнением действий по шагам, последовательным во времени, когда в данное время требуется только одна оп­ределенная конфигурация ИС ПЛ. Этот режим работы сходен с рассмотренным выше, но в устройствах с динамическим реконфигурированием может потребоваться быстрая смена настроек. Обычное реконфигурирование с введением в микросхему последова­тельного потока битов или байтов занимает довольно большое время. Для динамически реконфигурируемых систем задача решается иначе. В системе уже хранится набор за­ранее загруженных настроек, быстро сменяющих друг друга соответственно требовани­ям реализуемого алгоритма.

Проблема построения систем на основе СБИС ПЛ с динамической реконфигурацией активно исследуется.

Использование БИС/СБИС ПЛ как окончательной продукции при изготовлении малых партий изделий. В этом случае проявляются такие их достоинства как простота проектирования, скорость разработки и получение технических параметров, соответству­ющих возможностям микросхем высокого уровня интеграции. При этом продукция оста­ется достаточно дешевой.

Использование микросхем программируемой логики для отладки прототипов при проектировании устройств и систем. Системные компании широко используют репрограммируемые БИС/СБИС на стадиях отработки проектов. В проекты, реализован­ные на таких БИС/СБИС, легко вносить изменения, так как новый вариант получается путем простой коррекции кода конфигурации. Отладка репрограммируемого прототипа обеспечивает устранение ошибок в проекте, после отладки можно пользоваться ее ре­зультатами независимо от способа изготовления конечной продукции. При большом объе­ме выпуска реализацию проекта можно перенести на БИС/СБИС типа БМК, а при очень большом - и на схемы заказного изготовления.

Следует отметить, что отладка прототипов проекта на репрограммируемых микро­схемах не отменяет, а дополняет традиционные методы отладки устройств и систем. При такой отладке издавна пользовались изготовлением макетного прототипа и программны­ми моделями. Изготовление макетного прототипа - сложная и дорогостоящая задача, но зато с его помощью можно вести тестирование и отладку с реальными сигналами и на высоких скоростях, наблюдая фактические возможности устройства или системы. Про­граммное моделирование лишено этих достоинств, но проще и дешевле. Модели легко изменяются, и в них просто обеспечивается хорошая наблюдаемость процессов в объек­те исследования.

Применение репрограммируемых микросхем в задачах логической эмуляции дает со­четание достоинств обоих классических подходов. Система из таких микросхем легко создается и изменяется, но в то же время может работать с реальными сигналами и частотами их изменения. Однако по затратам труда и времени создание системы из мик­росхем репрограммируемой логики все же сложнее, чем создание программной моде­ли. Поэтому программные модели не исключаются с появлением репрограммируемых микросхем. С другой стороны, следует также учитывать, что полные свойства оконча­тельно изготовленной продукции эмуляция на репрограммируемых микросхемах при пе­реходе в последующем на иные методы производства отобразить не может, так как вре­менные характеристики зависят от конкретной трассировки схемы, которой еще нет на этапе отладки с помощью репрограммируемых микросхем. Таким образом, эмуляция проектов на репрограммируемых микросхемах не отменяет прежние методы разработки и тестирования схем, а лишь эффективно их дополняет.