mirror of
https://github.com/MPSU/APS.git
synced 2025-09-15 17:20:10 +00:00
Синхронизация с правками публикуемого издания (#101)
* СП. Обновление предисловия * СП. Обновление введения * СП. Обновление лаб * СП. Обновление доп материалов * СП. Введение * СП. Введение * СП. ЛР№4, 15 * СП. Базовые конструкции Verilog * Update Implementation steps.md * СП. ЛР 4,5,7,8,14 * СП. ЛР№8 * Синхронизация правок * СП. Финал * Исправление ссылки на рисунок * Обновление схемы * Синхронизация правок * Добавление белого фона .drawio-изображениям * ЛР2. Исправление нумерации рисунка
This commit is contained in:
Andrei Solodovnikov
committed by
GitHub
GitHub
parent
d251574bbc
commit
9739429d6e
@@ -10,46 +10,46 @@
|
||||
- [Таблицы подстановки (Look-Up Tables, LUTs)](#таблицы-подстановки-look-up-tables-luts)
|
||||
- [D-триггеры](#d-триггеры)
|
||||
- [Арифметика](#арифметика)
|
||||
- [Логическая ячейка](#логическая-ячейка)
|
||||
- [Логические блоки](#логические-блоки)
|
||||
- [Сеть межсоединений](#сеть-межсоединений)
|
||||
- [Итоги главы](#итоги-главы)
|
||||
- [Список источников](#список-источников)
|
||||
|
||||
> Разделы "Цифровые схемы и логические вентили" и "Таблицы подстановки" во многом используют материалы статьи "[How Does an FPGA Work?[1]](https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-does-an-fpga-work/all)" за авторством `Alchitry, Ell C`, распространяемой по лицензии [CC BY-SA 4.0](https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
|
||||
> Параграфы "Цифровые схемы и логические вентили" и "Таблицы подстановки" во многом используют материалы статьи "[How Does an FPGA Work?[1]](https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-does-an-fpga-work/all)" за авторством `Alchitry, Ell C`, распространяемой по лицензии [CC BY-SA 4.0](https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
|
||||
|
||||
## История появления ПЛИС
|
||||
|
||||
До появления интегральных схем электронные схемы собирались из отдельных элементов, как модель, собранная из кубиков Lego. В случае, если при сборке электронной схемы была допущена ошибка, вы могли исправить её ручной корректировкой соединения элементов подобно исправлению ошибки, допущенной при сборке модели Lego.
|
||||
До появления интегральных схем электронные устройства строились на базе вакуумных ламп, которые выполняли функции усиления и переключения. Эти лампы были громоздкими, энергозатратными и недолговечными. Затем их заменили на транзисторы, которые стали основой современных электронных схем. Поначалу транзисторы, как и лампы, использовались в виде отдельных компонентов, и схемы собирались из них, как модель из кубиков Lego. В случае ошибки её можно было исправить ручной корректировкой соединений между элементами, подобно исправлению ошибки при сборке модели Lego.
|
||||
|
||||
В дальнейшем произошла миниатюризация базовых элементов — транзисторов, из которых состоят электронные схемы, и появилась возможность реализовать соединения между ними непосредственно на кристалле, что привело к появлению интегральных схем — электронных схем, выполненных на полупроводниковой подложке и заключенных в неразборный корпус.
|
||||
С развитием технологий произошла миниатюризация транзисторов, что позволило разместить их вместе с соединениями на одном кристалле. Так появились интегральные схемы — электронные схемы, выполненные на полупроводниковой подложке и заключённые в неразборный корпус. Этот переход стал революционным шагом в развитии электроники, открыв путь к созданию компактных и производительных устройств.
|
||||
|
||||
В большинстве случаев, исправить ошибку, допущенную при разработке и изготовлении интегральной схемы, невозможно. С учетом того, что изготовление прототипа интегральной схемы является долгим и затратным мероприятием (от десятков тысяч до миллионов долларов в зависимости от технологии (или технологического процесса) , по которой изготавливается схема и занимаемой площади), возникла необходимость в гибком, быстром и дешевом в способе проверки схемы до изготовления её прототипа. Так появились **программируемые логические интегральные схемы** (**ПЛИС**). В связи с повсеместным использованием англоязычной литературы, имеет смысл дать и англоязычное название этого класса устройств: **programmable logic devices** (**PLD**).
|
||||
|
||||
ПЛИС содержит некоторое конечное множество базовых блоков (примитивов), блоки межсоединений примитивов и блоки ввода-вывода. Подав определенный набор воздействий на ПЛИС (**запрограммировав** её), можно настроить примитивы, их межсоединения между собой и блоками ввода-вывода, чтобы получить определенную цифровую схему. Удобство ПЛИС заключается в том, что в случае обнаружения ошибки на прототипе, исполненном в ПЛИС, вы можете исправить свою цифровую схему, и повторно запрограммировать ПЛИС.
|
||||
|
||||
Кроме того, эффективно использовать ПЛИС не как средство дешевого прототипирования, но и как средство реализации конечного продукта в случае малого тиража (дешевле купить и запрограммировать готовую партию ПЛИС, чем изготовить партию собственных микросхем).
|
||||
В большинстве случаев, исправить ошибку, допущенную при разработке и изготовлении интегральной схемы, невозможно. С учетом того, что изготовление прототипа интегральной схемы является долгим и затратным мероприятием (от десятков тысяч до миллионов долларов), возникла необходимость в гибком, быстром и дешёвом способе изготовления прототипа, и проверки на нём схемы до её изготовления. Так появились **программируемые логические интегральные схемы** (**ПЛИС**). В связи с повсеместным использованием англоязычной литературы, имеет смысл дать и англоязычное название этого класса устройств: **programmable logic devices** (**PLD**).
|
||||
|
||||
Стоит оговориться, что в данной книге под термином ПЛИС будет подразумеваться конкретный тип программируемых схем: **FPGA** (**field-programmable gate array**, **программируемая пользователем вентильная матрица**, **ППВМ**).
|
||||
|
||||
Давайте разберемся что же это за устройство и как оно работает изнутри, но перед этим необходимо провести ликбез по цифровым схемам и логическим вентилям.
|
||||
ПЛИС содержит некоторое конечное множество базовых блоков (примитивов), блоки межсоединений примитивов и блоки ввода-вывода. Подав определенный набор воздействий на ПЛИС (**запрограммировав** её), можно настроить примитивы, их межсоединения между собой и блоками ввода-вывода, чтобы получить требуемую цифровую схему. Удобство ПЛИС заключается в том, что в случае обнаружения ошибки на прототипе, исполненном в ПЛИС, вы можете исправить свою цифровую схему и повторно запрограммировать ПЛИС.
|
||||
|
||||
Кроме того, эффективно использовать ПЛИС не как средство дешевого прототипирования, но и как средство реализации конечного продукта в случае малого тиража (дешевле купить и запрограммировать готовую партию ПЛИС, чем изготовить партию собственных микросхем).
|
||||
|
||||
Давайте разберемся, что же это за устройство и как оно работает изнутри, но перед этим необходимо провести ликбез по цифровым схемам и логическим вентилям.
|
||||
|
||||
## Цифровые схемы и логические вентили
|
||||
|
||||
### Цифровые схемы
|
||||
|
||||
**Цифровая схема** — это **абстрактная модель** вычислений, которая оперирует двумя дискретными состояниями, обычно обозначаемыми как `0` и `1`. Важно понимать, что эти состояния не привязаны к конкретным физическим величинам, таким как напряжение в электрической цепи. Вместо этого они представляют собой обобщенные логические значения, которые могут быть реализованы на любой технологии, способной различать два четких состояния.
|
||||
**Цифровая схема** — это **абстрактная модель** вычислений, которая оперирует двумя дискретными состояниями, обычно обозначаемыми как `0` и `1`. Важно понимать, что эти состояния не привязаны к конкретным физическим величинам, таким как напряжение в электрической цепи. Вместо этого они представляют собой обобщенные логические значения, которые могут быть реализованы на любой технологии, способной различать два чётких состояния.
|
||||
|
||||
Благодаря этой абстракции, цифровые схемы могут быть реализованы не только с помощью традиционных электронных компонентов, но и на совершенно иных платформах, например, на [пневматических системах](https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/692236/), [из картона и шариков](https://habr.com/ru/articles/399391/), [красной пыли](https://minecraft.fandom.com/wiki/Tutorials/Redstone_computers) в игре Майнкрафт или даже с использованием человеческого взаимодействия, подобно тому как это описано в романе Лю Цысиня "Задача трёх тел" (эффективность подобных схем — это уже другой вопрос). Основная идея заключается в том, что цифровая схема отвязывается от физической реализации, фокусируясь лишь на логике взаимодействия состояний `0` и `1`, что делает ее универсальной и независимой от конкретной технологии.
|
||||
Благодаря этой абстракции цифровые схемы могут быть реализованы не только с помощью традиционных электронных компонентов, но и на совершенно иных платформах, например на [пневматических системах](https://habr.com/ru/companies/ruvds/articles/692236/), [из картона и шариков](https://habr.com/ru/articles/399391/), [красной пыли](https://minecraft.fandom.com/wiki/Tutorials/Redstone_computers) в игре Майнкрафт или даже с использованием человеческого взаимодействия, подобно тому, как это описано в романе Лю Цысиня "Задача трёх тел" (эффективность подобных схем — это уже другой вопрос). Основная идея заключается в том, что цифровая схема отвязывается от физической реализации, фокусируясь лишь на логике взаимодействия состояний `0` и `1`, что делает её универсальной и независимой от конкретной технологии.
|
||||
|
||||
Разумеется, при проектировании эффективных цифровых схем, необходимо оглядываться на технологию, по которой эти схемы будут работать.
|
||||
Разумеется, при проектировании эффективных цифровых схем необходимо оглядываться на технологию, по которой эти схемы будут работать.
|
||||
|
||||
В электронике, словом "цифровая" описывают схемы, которые абстрагируются от непрерывных (аналоговых) значений напряжений, вместо этого используется только два дискретных значения: `0` и `1`. На данном уровне абстракции нас не интересуют конкретные значения напряжений и пороги этих значений, что позволяет нам разрабатывать схему в идеальном мире, где у напряжения может быть всего два значения: `0` и `1`. А обеспечением этих условий будут заниматься базовые блоки, из которых мы будем строить цифровые схемы.
|
||||
В электронике словом "цифровая" описывают схемы, которые абстрагируются от непрерывных (аналоговых) значений напряжений, вместо этого используются только два дискретных значения: `0` и `1`. На данном уровне абстракции нас не интересуют конкретные значения напряжений и пороги этих значений, что позволяет нам разрабатывать схему в идеальном мире, где у напряжения может быть всего два значения: `0` и `1`. А обеспечением этих условий будут заниматься базовые блоки, из которых мы будем строить цифровые схемы.
|
||||
|
||||
Эти базовые блоки называются **логическими вентилями**.
|
||||
|
||||
### Логические вентили
|
||||
|
||||
Существует множество логических вентилей, но чаще всего используется четыре из них: **И**, **ИЛИ**, **Исключающее ИЛИ**, **НЕ**. Каждый из этих элементов принимает на вход **цифровое значение** (см. [**цифровая схема**](#цифровые-схемы)), выполняет определенную **логическую функцию** над входами и подает на выход результат этой функции в виде **цифрового значения**.
|
||||
Существует множество логических вентилей, мы рассмотрим четыре из них: **И**, **ИЛИ**, **Исключающее ИЛИ**, **НЕ**. Каждый из этих элементов принимает на вход **цифровое значение** (см. [**цифровая схема**](#цифровые-схемы)), выполняет определенную **логическую функцию** над входами и подает на выход результат этой функции в виде **цифрового значения**.
|
||||
|
||||
Логические вентили на _рис. 1-4_ иллюстрируются условными графическими обозначениями (**УГО**), взятыми из двух стандартов: **ANSI** и **ГОСТ**. Ввиду повсеместного использования в литературе первого варианта, в дальнейшем в книге будет использован он.
|
||||
|
||||
@@ -77,13 +77,13 @@ _Рисунок 3. УГО логического вентиля **Исключа
|
||||
|
||||
_Рисунок 4. УГО логического вентиля **НЕ**._
|
||||
|
||||
Так же существуют вариации базовых вентилей, такие как **И-НЕ**, **ИЛИ-НЕ**, **Исключающее ИЛИ-НЕ**, отличающиеся от исходных тем, что результат операции инвертирован относительно результата аналогичной операции без **-НЕ**.
|
||||
Также существуют вариации базовых вентилей, такие как **И-НЕ**, **ИЛИ-НЕ**, **Исключающее ИЛИ-НЕ**, отличающиеся от исходных тем, что результат операции инвертирован относительно результата аналогичной операции без **-НЕ**.
|
||||
|
||||
Логические вентили строятся из **транзисторов**. **Транзистор** — это элемент, который может пропускать/блокировать ток в зависимости от поданного напряжения на его управляющий вход.
|
||||
|
||||
Особенностью современных интегральных схем является то, что они строятся на основе комплементарной (взаимодополняющей) пары транзисторов **P** и **N**-типа (**Комплементарная Металл-Оксид-Полупроводниковая**, **КМОП** логика). Для данного типа транзисторов оказалось эффективнее реализовать операции **И-НЕ** и **ИЛИ-НЕ**.
|
||||
|
||||
С точки зрения построения цифровых схем МОП-транзистор (**P** и **N**-типа) можно воспринимать как выключатель, который замыкает или размыкает связь между двумя выводами. Разница между **P** и **N** типом заключается в состоянии, в котором транзистор "открыт" (вход и выход замкнуты) или "закрыт" (связь разорвана). _Рис. 5_ иллюстрирует данное различие.
|
||||
С точки зрения построения цифровых схем МОП-транзисторы (**P**- и **N**-типа) можно воспринимать как выключатели, которые замыкают или размыкают связь между двумя выводами. Разница между **P**- и **N** типами заключается в состоянии, в котором транзистор "открыт" (вход и выход замкнуты) или "закрыт" (связь разорвана). _Рис. 5_ иллюстрирует данное различие.
|
||||
|
||||
Вход и выход, между которыми образуется связь называются "**сток**" (**drain**, **d**) и "**исток**" (**source**, **s**), а управляющий вход — "**затвор**" (**gate**, **g**). Обратите внимание, что логический вентиль (**logic gate**) и затвор транзистора (просто **gate**) — это разные сущности!
|
||||
|
||||
@@ -93,7 +93,7 @@ _Рисунок 5. МОП-транзисторы P и N типа._
|
||||
|
||||
На _рис. 6_ показан способ построения логических вентилей **И-НЕ**, **ИЛИ-НЕ** по **КМОП** технологии. Рассмотрим принцип работы вентиля **И-НЕ**.
|
||||
|
||||
Подача значения `1` на вход **А** или **B** открывает соответствующий этому входу n-канальный транзистор (обозначен на _рис. 6_ красным цветом), и закрывает дополняющий его (комплементарный ему) p-канальный транзистор (обозначен синим цветом). Подача на оба входа `1` закрывает оба p-канальных транзистора (верхняя часть схемы разомкнута, что для значения на выходе означает что её будто бы и нет) и открывает оба n-канальных транзистора. В результате чего выход замыкается на "землю" (чёрный треугольник внизу схемы) что эквивалентно `0` в контексте цифровых значений.
|
||||
Подача значения `1` на вход **А** или **B** открывает соответствующий этому входу n-канальный транзистор (обозначен на _рис. 6_ красным цветом) и закрывает дополняющий его (комплементарный ему) p-канальный транзистор (обозначен синим цветом). Подача на оба входа `1` закрывает оба p-канальных транзистора (верхняя часть схемы разомкнута, что для значения на выходе означает, что её будто и нет) и открывает оба n-канальных транзистора. В результате чего выход замыкается на "землю" (чёрный треугольник внизу схемы), что эквивалентно `0` в контексте цифровых значений.
|
||||
|
||||
В случае, если хотя бы на одном из входов **А** или **B** будет значение `0`, откроется один из параллельно соединенных p-канальных транзисторов (в то время как соединение с "землей" будет разорвано) и выход будет подключен к питанию (две перпендикулярные линии вверху схемы), что эквивалентно `1` в контексте цифровых значений.
|
||||
|
||||
@@ -115,31 +115,31 @@ _Рисунок 7. Схема логического вентиля **НЕ**, п
|
||||
|
||||
Используя одни лишь описанные выше логические вентили можно построить **любую(!)** цифровую схему.
|
||||
|
||||
Однако, при описании цифровых схем, некоторые цифровые блоки используются настолько часто, что для них ввели отдельные обозначения (**сумматоры**, **умножители**, **мультиплексоры** т.п.), используемые при описании более сложных схем. Мы рассмотрим один из фундаментальных строительных блоков в ПЛИС — **мультиплексор**.
|
||||
Однако, при описании цифровых схем, некоторые цифровые блоки используются настолько часто, что для них ввели отдельные обозначения (**сумматоры**, **умножители**, **мультиплексоры** т.п.), используемые при описании более сложных схем. Рассмотрим один из фундаментальных строительных блоков в ПЛИС — **мультиплексор**.
|
||||
|
||||
### Мультиплексоры
|
||||
|
||||
Мультиплексор — это устройство, которое в зависимости от значения **управляющего сигнала** подает на выход значение одного из входных сигналов.
|
||||
|
||||
Схематически, мультиплексор обозначается следующим образом:
|
||||
УГО мультиплексора представлено на _рисунке 8_.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 8. Обозначение Мультиплексора._
|
||||
|
||||
Символ `/` на линии `sel` используется, чтобы показать, что этот сигнал шириной 6 бит.
|
||||
Символ `/` на линии `sel` указывает на то, что этот сигнал шириной 6 бит.
|
||||
|
||||
Число входов мультиплексора может быть различным, но выход у него всегда один.
|
||||
|
||||
**Способ, которым кодируется значение управляющего сигнала может также различаться**. Простейшая цифровая схема мультиплексора получится, если использовать [**унитарное**](https://ru.wikipedia.org/wiki/Унитарный_код) (**one-hot**) кодирование. При таком кодировании, значение **многоразрядного** сигнала **всегда** содержит **ровно одну** `1`. Информация, которую несет закодированный таким образом сигнал содержится в положении этой `1` внутри многоразрядного сигнала.
|
||||
**Способ, которым кодируется значение управляющего сигнала может также различаться**. Простейшая цифровая схема мультиплексора получится, если использовать [**унитарное**](https://ru.wikipedia.org/wiki/Унитарный_код) (**one-hot**) кодирование. При таком кодировании, значение **многоразрядного** управляющего сигнала **всегда** содержит **ровно одну** `1`. Информация, которую несёт закодированный таким образом сигнал содержится в положении этой `1` внутри управляющего сигнала.
|
||||
|
||||
Посмотрим, как можно реализовать мультиплексор с управляющим сигналом, использующим one-hot-кодирование, используя только логические вентили **И**, **ИЛИ**:
|
||||
Посмотрим, как можно реализовать мультиплексор с управляющим сигналом, использующим one-hot-кодирование, при помощи одних лишь логических вентилей **И**, **ИЛИ**:
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 9. Реализация мультиплексора, использующего one-hot кодирование._
|
||||
|
||||
Если мы выставим значение управляющего сигнала, равное `000010`, означающее что только **первый** бит этого сигнала (**счет ведется с нуля**) будет равен **единице** (`sel[1] = 1`), то увидим, что на один из входов каждого логического вентиля **И** будет подано значение `0`. Исключением будет логический вентиль **И** для входа `b`, на вход которого будет подано значение `1`. Это означает, что все логические вентили **И** (кроме первого, на который подается вход `b`) будут выдавать на выход `0` (см. [Логические вентили](#логические-вентили)) вне зависимости от того, что было подано на входы a,c,d,e и f. Единственным входом, который будет на что-то влиять окажется вход `b`. Когда он равен `1`, на выходе соответствующего логического вентиля **И** окажется значение `1`. Когда он равен `0` на выходе **И** окажется значение `0`. Иными словами, выход **И** будет повторять значение `b`.
|
||||
Если мы выставим значение управляющего сигнала, равное `000010`, означающее, что только **первый** бит этого сигнала (**счет ведется с нуля**) будет равен **единице** (`sel[1] = 1`), то увидим, что на один из входов каждого логического вентиля **И** будет подано значение `0`. Исключением будет логический вентиль **И** для входа `b`, на вход которого будет подано значение `1`. Это означает, что все логические вентили **И** (кроме первого, на который подается вход `b`) будут выдавать на выход `0` (см. [Логические вентили](#логические-вентили)) вне зависимости от того, что было подано на входы a,c,d,e и f. Единственным входом, который будет влиять на работу схемы, окажется вход `b`. Когда он равен `1`, на выходе соответствующего логического вентиля **И** окажется значение `1`. Когда он равен `0` на выходе **И** окажется значение `0`. Иными словами, выход **И** будет повторять значение `b`.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -151,9 +151,9 @@ _Рисунок 10. Реализация мультиплексора, испо
|
||||
|
||||
_Рисунок 11. Реализация многоходового логического **ИЛИ**._
|
||||
|
||||
**Многовходовой вентиль ИЛИ** ведет себя ровно так же, как двухвходовой: он выдает на выход значение `1` когда хотя бы один из входов равен `1`. В случае, если все входы равны `0`, на выход **ИЛИ** пойдет `0`.
|
||||
**Многовходовой вентиль ИЛИ** ведет себя ровно так же, как двухвходовой: он выдает на выход значение `1`, когда хотя бы один из входов равен `1`. В случае, если все входы равны `0`, на выход **ИЛИ** пойдет `0`.
|
||||
|
||||
Но для нашей схемы мультиплексора гарантируется, что каждый вход **ИЛИ** кроме одного будет равняться `0` (поскольку выход каждого **И** кроме одного будет равен `0`). Это означает, что выход **многовходового ИЛИ** будет зависеть только от **одного** входа (в случае, когда `sel = 000010` — от входа `b`).
|
||||
Для нашей схемы мультиплексора гарантируется, что каждый вход **ИЛИ** кроме одного будет равняться `0` (поскольку выход каждого **И** кроме одного будет равен `0`). Это означает, что выход **многовходового ИЛИ** будет зависеть только от **одного** входа (в случае, когда `sel = 000010` — от входа `b`).
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -163,19 +163,19 @@ _Рисунок 12. Реализация мультиплексора, испо
|
||||
|
||||
### Программируемая память
|
||||
|
||||
Из транзисторов можно построить не только логические элементы, но и элементы памяти. На рис. 13 представлена схема простейшей ячейки статической памяти, состоящей из транзистора и двух инверторов (т.е. суммарно состоящей из 5 транзисторов, поэтому она называется **5T** SRAM). Данная ячейка реализует 1 бит конфигурируемой памяти, являвшейся одним из основных компонентов самой первой ПЛИС.
|
||||
Из транзисторов можно построить не только логические элементы, но и элементы памяти. На рис. 13 представлена схема простейшей ячейки статической памяти, состоящей из транзистора и двух инверторов (т.е. суммарно состоящей из 5 транзисторов, поэтому она называется **5T** SRAM). Данная ячейка реализует 1 бит программируемой памяти, являвшейся одним из основных компонентов самой первой ПЛИС.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 13. Конфигурируемая ячейка памяти ПЛИС Xilinx XC2064[[2, стр. 2-63](https://archive.org/details/programmablegate00xili/page/n93/mode/2up)]._
|
||||
_Рисунок 13. Программируемая ячейка памяти ПЛИС Xilinx XC2064[[2, стр. 2-63](https://archive.org/details/programmablegate00xili/page/n93/mode/2up)]._
|
||||
|
||||
Данная память представляет собой **бистабильную ячейку** — петлю из двух инверторов, в которых "заперто" хранимое значение. Дважды инвертированный сигнал совпадает по значению с исходным, при этом проходя через каждый из инверторов, сигнал обновляет свое значение напряжения, что не позволяет ему угаснуть из-за сопротивления цепи.
|
||||
Данная память представляет собой **бистабильную ячейку** — петлю из двух инверторов, в которых "заперто" хранимое значение. Дважды инвертированный сигнал совпадает по значению с исходным, при этом, проходя через каждый из инверторов, сигнал обновляет свое значение напряжения, что не позволяет ему угаснуть из-за сопротивления цепи.
|
||||
|
||||
Для того чтобы поместить в бистабильную ячейку новое значение, к ее входу подключается еще один транзистор, замыкающий или размыкающий ее с напряжением питания/земли.
|
||||
Для того чтобы поместить в бистабильную ячейку новое значение, к её входу подключается еще один транзистор, замыкающий или размыкающий её с напряжением питания/земли.
|
||||
|
||||
## Таблицы подстановки (Look-Up Tables, LUTs)
|
||||
|
||||
Представьте мультиплексор с четырьмя входными сигналами, и двухбитным управляющим сигналом (обратите внимание, что в теперь это сигнал не использует one-hot-кодирование). Но теперь, вместо того чтобы выставлять входные сигналы во внешний мир, давайте подключим их к программируемой памяти. Это означает, что мы можем "запрограммировать" каждый из входов на какое-то константное значение. Поместим то, что у нас получилось в отдельный блок и вот, мы получили двухвходовую **Таблицу подстановки** (**Look-Up Tables**, далее **LUT**).
|
||||
Представьте мультиплексор с четырьмя входными сигналами и двухбитным управляющим сигналом (обратите внимание, что в теперь это сигнал использует обычное двоичное кодирование). Но теперь, вместо того чтобы выставлять входные сигналы во внешний мир, давайте подключим их к программируемой памяти. Это означает, что мы можем "запрограммировать" каждый из входов на какое-то константное значение. Поместим то, что у нас получилось, в отдельный блок и вот, мы получили двухвходовую **Таблицу подстановки** (**Look-Up Tables**, далее **LUT**).
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -183,24 +183,24 @@ _Рисунок 14. Реализация таблицы подстановки (
|
||||
|
||||
Эти два входа **LUT** являются битами управляющего сигнала мультиплексора, спрятанного внутри **LUT**. Программируя входы мультиплексора (точнее, программируя память, к которой подключены входы мультиплексора), мы можем реализовать на базе **LUT** **любую(!)** логическую функцию, принимающую два входа и возвращающую один выход.
|
||||
|
||||
Допустим мы хотим получить **логическое И**. Для этого, нам потребуется записать в память следующее содержимое:
|
||||
Допустим, мы хотим получить **логическое И**. Для этого, нам потребуется записать в память следующее содержимое:
|
||||
|
||||
|Адрес (In[1:0])| Значение |
|
||||
|---------------|----------|
|
||||
| 00 | 0 |
|
||||
| 01 | 0 |
|
||||
| 10 | 0 |
|
||||
| 11 | 1 |
|
||||
|Адрес ({x, y}) | Значение (f)|
|
||||
|---------------|-------------|
|
||||
| 00 | 0 |
|
||||
| 01 | 0 |
|
||||
| 10 | 0 |
|
||||
| 11 | 1 |
|
||||
|
||||
Это простейший пример — обычно **LUT**-ы имеют больше входов, что позволяет им реализовывать более сложную логику.
|
||||
|
||||
## D-триггеры
|
||||
|
||||
Как вы уже поняли, используя неограниченное количество LUT-ов, вы можете построить цифровую схему, реализующую логическую функцию любой сложности. Однако цифровые схемы не ограничиваются реализацией одних только логических функций (цифровые схемы, реализующие логическую функцию, называются **комбинационными**, поскольку выход зависит только от комбинации входов). Например, так не построить цифровую схему, реализующую процессор. Для таких схем, нужны элементы памяти. Заметим, что речь идет не о программируемой памяти, задавая значения которой мы управляем тем, куда будут направлены сигналы, и какие логические функции будут реализовывать LUT-ы. Речь идет о ячейках памяти, которые будут использоваться логикой самой схемы.
|
||||
Как вы уже поняли, используя неограниченное количество LUT-ов, вы можете построить цифровую схему, реализующую логическую функцию любой сложности. Однако цифровые схемы не ограничиваются реализацией одних только логических функций (цифровые схемы, реализующие логическую функцию, называются **комбинационными**, поскольку выход зависит только от комбинации входов). Например, так не построить цифровую схему, реализующую процессор. Для таких схем нужны элементы памяти. Заметим, что речь идет не о программируемой памяти, задавая значения которой мы управляем тем, какие логические функции будут реализовывать LUT-ы. Речь идет о ячейках памяти, которые будут использоваться логикой самой схемы.
|
||||
|
||||
Такой базовой ячейкой памяти является **D-триггер** (**D flip-flop**), из которых можно собрать другие ячейки памяти, например **регистры** (а из регистров можно собрать **память с произвольным доступом** (**random access memory**, **RAM**)), **сдвиговые регистры** и т.п.
|
||||
Такой базовой ячейкой памяти является **D-триггер** (**D flip-flop**). Из D-триггеров можно собирать другие ячейки памяти, например **регистры** (а из регистров можно собрать **память с произвольным доступом** (**random access memory**, **RAM**)), **сдвиговые регистры** и т.п.
|
||||
|
||||
**D-триггер** — это цифровой элемент, способный хранить один бит информации. В базовом варианте у этого элемента есть два входа и один выход. Один из входов подает значение, которое будет записано в **D-триггер**, второй вход управляет записью (обычно он называется `clk` или `clock` и подключается к тактирующему синхроимпульсу схемы). Когда управляющий сигнал меняет свое значение с `0` на `1` (либо с `1` на `0`, зависит от схемы), в **D-триггер** записывается значение сигнала данных. Обычно, описывая **D-триггер**, говорится, что он строится из двух **триггеров-защелок** (**D latch**), которые в свою очередь строятся из **RS-триггеров**, однако в конечном итоге, все эти элементы могут быть построены на базе логических вентилей **И**/**ИЛИ**, **НЕ**:
|
||||
**D-триггер** — это цифровой элемент, способный хранить один бит информации. В базовом варианте у этого элемента есть два входа и один выход. Один из входов подает значение, которое будет записано в **D-триггер**, второй вход управляет записью (обычно он называется `clk` или `clock` и подключается к тактирующему синхроимпульсу схемы). Когда управляющий сигнал меняет своё значение с `0` на `1` (либо с `1` на `0`, зависит от схемы), в **D-триггер** записывается значение сигнала данных. Обычно, описывая **D-триггер**, говорится, что он строится из двух **триггеров-защелок** (**D-latch**), которые, в свою очередь, строятся из **RS-триггеров**. Однако в конечном итоге, все эти элементы могут быть построены на базе логических вентилей **И**/**ИЛИ**, **НЕ**:
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
@@ -208,7 +208,7 @@ _Рисунок 15. Реализация D-триггера._
|
||||
|
||||
## Арифметика
|
||||
|
||||
Помимо описанных выше блоков (мультиплексоров и построенных на их основе LUT-ов и регистров) выделяется еще один тип блоков, настолько часто используемый в цифровых схемах, что его заранее размещают в ПЛИС в больших количествах: это арифметические блоки. Эти блоки используются при сложении, вычитании, сравнении чисел, реализации счётчиков. В разных ПЛИС могут быть предустановлены разные блоки: где-то это может быть однобитный сумматор, а где-то блок вычисления ускоренного переноса (`carry-chain`).
|
||||
Помимо описанных выше блоков (мультиплексоров и построенных на их основе LUT-ов и регистров) выделяется еще один тип блоков, настолько часто используемый в цифровых схемах, что его заранее размещают в ПЛИС в больших количествах: это арифметические блоки. Эти блоки используются при сложении, вычитании, сравнении чисел, реализации счётчиков. В разных ПЛИС могут быть предустановлены разные блоки: где-то это может быть 1-битный сумматор, а где-то блок вычисления ускоренного переноса (`carry-chain`).
|
||||
|
||||
Все эти блоки могут быть реализованы через логические вентили, например так можно реализовать сумматор:
|
||||
|
||||
@@ -216,51 +216,47 @@ _Рисунок 15. Реализация D-триггера._
|
||||
|
||||
_Рисунок 16. Реализация полного однобитного сумматора._
|
||||
|
||||
## Логическая ячейка
|
||||
## Логические блоки
|
||||
|
||||
И вот, мы подходим к внутреннему устройству ПЛИС. Мы уже узнали, что в ПЛИС есть матрица программируемых мультиплексоров, направляющих сигналы туда, куда нам нужно.
|
||||
В предыдущих параграфах, были рассмотрены отдельные виды цифровых блоков: таблицы подстановок, регистры, арифметические блоки. Для удобства структурирования, эти блоки объединены в ПЛИС в виде **логических блоков**. Обычно, логические блоки современных ПЛИС состоят из **логических ячеек** (или **логических элементов**), но для простоты повествования, мы объединим все эти термины.
|
||||
|
||||
Вторым важным элементом является **логический блок** (обычно состоящих из **логических ячеек** или **логических элементов**, но для простоты мы отождествим все эти термины).
|
||||
Логический блок может содержать одну или несколько **LUT**, **арифметический блок**, и один или несколько **D-триггеров**, которые соединены между собой некоторым количеством мультиплексоров. На _рисунке 17_ представлена схема того, как может выглядеть логический блок:
|
||||
|
||||
Логический блок содержит одну или несколько **LUT**, **арифметический блок**, и один или несколько **D-триггеров**, которые соединены между собой некоторым количеством мультиплексоров.
|
||||
На _рис. 17_ представлена схема того, как может выглядеть **логический блок**:
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 17. Схема логической ячейки[[2]](https://en.wikipedia.org/wiki/Field-programmable_gate_array)._
|
||||
|
||||
Всё достаточно просто. Логический блок представляет собой цепочку операций: `логическая функция, реализованная через LUT -> арифметическая операция -> Запись в D-триггер`. Каждый из мультиплексоров определяет то, будет ли пропущен какой-либо из этих этапов.
|
||||
Логический блок представляет собой цепочку операций: `логическая функция, реализованная через LUT -> арифметическая операция -> Запись в D-триггер`. Каждый из мультиплексоров определяет то, будет ли пропущен какой-либо из этих этапов.
|
||||
Таким образом, конфигурируя каждый логический блок, можно получить следующие вариации кусочка цифровой схемы:
|
||||
|
||||
1. Комбинационная схема (логическая функция, реализованная в LUT)
|
||||
2. Арифметическая операция
|
||||
3. Запись данных в D-триггер
|
||||
4. Комбинационная схема, с записью результата в D-триггер
|
||||
4. Комбинационная схема с записью результата в D-триггер
|
||||
5. Арифметическая операция с записью результата в D-триггер
|
||||
6. Комбинационная схема с последующей арифметической операцией
|
||||
7. Комбинационная схема с последующей арифметической операцией и записью в D-триггер
|
||||
|
||||
А вот реальный пример использования логического блока в ПЛИС `xc7a100tcsg324-1` при реализации Арифметико-логического устройства (АЛУ), подключенного к периферии отладочной платы `Nexys-7`:
|
||||
На _рисунке 18_ приведён реальный пример использования логического блока в ПЛИС `xc7a100tcsg324-1` при реализации Арифметико-логического устройства (АЛУ), подключенного к периферии отладочной платы `Nexys-7`. На этом рисунке вы можете увидеть использование LUT-ов, арифметического блока (ускоренного расчета переноса), и одного из D-триггеров. D-триггеры, обозначенные серым цветом, не используются.
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 18. Пример использования логической ячейки._
|
||||
|
||||
Здесь вы можете увидеть использование LUT-ов, арифметического блока (ускоренного расчета переноса), и одного из D-триггеров. D-триггеры, обозначенные серым цветом, не используются.
|
||||
|
||||
Располагая большим наборов таких логических блоков, и имея возможность межсоединять их нужным вам образом, вы получаете широчайшие возможности по реализации практически любой цифровой схемы (ограничением является только ёмкость ПЛИС, т.е. количество подобных логических блоков, входов выходов и т.п.).
|
||||
|
||||
Помимо логических блоков, в ПЛИС есть и другие примитивы: **Блочная память**, **блоки умножителей** и т.п.
|
||||
Помимо логических блоков в ПЛИС есть и другие примитивы: **блочная память**, **блоки умножителей** и т.п.
|
||||
|
||||
## Сеть межсоединений
|
||||
|
||||
Для того, чтобы разобраться как управлять межсоединением логических блоков, рассмотрим рис. 19, входящий в [патент](https://patents.google.com/patent/US4870302A) на ПЛИС[[4](http://www.righto.com/2020/09/reverse-engineering-first-fpga-chip.html)].
|
||||
Для того чтобы разобраться, как управлять межсоединением логических блоков, рассмотрим рис. 19, входящий в патент на ПЛИС[[4](https://patents.google.com/patent/US4870302A)].
|
||||
|
||||
|
||||
|
||||
_Рисунок 19. Содержимое ПЛИС в виде межсоединения логических блоков и блоков ввода-вывода._
|
||||
_Рисунок 19. Содержимое ПЛИС в виде межсоединения логических блоков и блоков ввода-вывода[[5](http://www.righto.com/2020/09/reverse-engineering-first-fpga-chip.html)]._
|
||||
|
||||
Синим показано 9 логических блоков, желтым — 12 блоков ввода-вывода. Все эти блоки окружены **сетью межсоединений** (interconnect net), представляющей собой матрицу из горизонтальных и вертикальных соединительных линий — межсоединений общего назначения (general purpose interconnect) [[2, 2-66](https://archive.org/details/programmablegate00xili/page/n97/mode/2up)].
|
||||
Синим показано 9 логических блоков, желтым — 12 блоков ввода-вывода. Все эти блоки окружены **сетью межсоединений** (interconnect net), представляющей собой решётку из горизонтальных и вертикальных соединительных линий — межсоединений общего назначения (general purpose interconnect) [[2, 2-66](https://archive.org/details/programmablegate00xili/page/n97/mode/2up)].
|
||||
|
||||
Косыми чертами в местах пересечения линий обозначены **программируемые точки межсоединений** (**programmable interconnect points**, **PIP**s), представляющие собой транзисторы, затвор которых подключен к программируемой памяти.
|
||||
|
||||
@@ -272,13 +268,13 @@ _Рисунок 19. Содержимое ПЛИС в виде межсоедин
|
||||
|
||||
1. Используя такие элементы, как **транзисторы**, можно собирать **логические вентили**: элементы **И**, **ИЛИ**, **НЕ** и т.п.
|
||||
2. Используя **логические вентили**, можно создавать схемы, реализующие как **логические функции** (**комбинационные схемы**), так и сложную логику с памятью (**последовательностные схемы**).
|
||||
3. Из логических вентилей среди прочего строится и такая важная комбинационная схема, как **мультиплексор**: цифровой блок, в зависимости от управляющего сигнала подающий на выход один из входных сигналов.
|
||||
4. Кроме того, подключив вход бистабильной ячейки (представляющую собой петлю из двух инверторов) к транзистору, можно получить 1 бит **конфигурируемой памяти**.
|
||||
5. Подключив входные сигналы мультиплексора к программируемой памяти, можно получить **Таблицу подстановок** (**Look-Up Table**, **LUT**), которая может реализовывать простейшие логические функции. LUT-ы позволяют заменить логические вентили И/ИЛИ/НЕ, и удобны тем, что их можно динамически изменять, логические вентили в свою очередь исполняются на заводе и уже не могут быть изменены после создания.
|
||||
6. Из логических вентилей так же можно собрать базовую ячейку памяти: **D-триггер**, и такую часто используемую комбинационную схему как **полный однобитный сумматор** (или любой другой часто используемый арифметический блок).
|
||||
3. Из логических вентилей строится и такая важная комбинационная схема, как **мультиплексор**: цифровой блок, который в зависимости от значения управляющего сигнала подаёт на выход один из входных сигналов.
|
||||
4. Кроме того, подключив вход бистабильной ячейки (представляющую собой петлю из двух инверторов) к транзистору, можно получить 1 бит **программируемой памяти**.
|
||||
5. Подключив входные сигналы мультиплексора к программируемой памяти, можно получить **Таблицу подстановок** (**Look-Up Table**, **LUT**), которая может реализовывать простейшие логические функции. LUT-ы позволяют заменить логические вентили И/ИЛИ/НЕ, и удобны тем, что их можно динамически изменять. Логические вентили в свою очередь исполняются на заводе и уже не могут быть изменены после создания.
|
||||
6. Из логических вентилей также можно собрать базовую ячейку памяти: **D-триггер**, и такую комбинационную схему как **полный 1-битный сумматор** (или любой другой часто используемый арифметический блок).
|
||||
7. Объединив LUT, арифметический блок и D-триггер получается структура в ПЛИС, которая называется **логический блок**.
|
||||
8. Логический блок (а также другие **примитивы**, такие как **блочная память** или **умножители**) — это множество блоков, которые заранее физически размещаются в кристалле ПЛИС, их количество строго определено конкретной ПЛИС и не может быть изменено.
|
||||
9. Подключая такой бит конфигурируемой памяти к транзисторам, расположенных в узлах **сети межсоединений**, можно управлять тем, где в этой сети будут разрывы, а значит можно оставить только маршрут, по которому сигнал пойдет туда, куда нам нужно (**трассировать сигнал**).
|
||||
9. Подключая программируемую память к транзисторам, расположенных в узлах **сети межсоединений**, можно управлять расположением разрывов в сети, а значит можно оставить только маршрут, по которому сигнал пойдет туда, куда нам нужно (**трассировать сигнал**).
|
||||
10. **Конфигурируя примитивы** и **трассируя сигнал** между ними (см. п.4), можно получить **практически любую цифровую схему** (с учетом ограничения ёмкости ПЛИС).
|
||||
|
||||
## Список источников
|
||||
@@ -286,4 +282,5 @@ _Рисунок 19. Содержимое ПЛИС в виде межсоедин
|
||||
1. Alchitry, Ell C / [How Does an FPGA Work?](https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-does-an-fpga-work/all)
|
||||
2. Xilinx / [The Programmable Gate Array Data Book](https://archive.org/details/programmablegate00xili)
|
||||
3. Wikipedia / [Field-programmable gate array](https://en.wikipedia.org/wiki/Field-programmable_gate_array)
|
||||
4. Ken Shirriff / [Reverse-engineering the first FPGA chip, the XC2064](http://www.righto.com/2020/09/reverse-engineering-first-fpga-chip.html)
|
||||
4. Ross H. Freeman / Configurable electrical circuit having configurable logic elements and configurable interconnects / United States Patent
|
||||
5. Ken Shirriff / [Reverse-engineering the first FPGA chip, the XC2064](http://www.righto.com/2020/09/reverse-engineering-first-fpga-chip.html)
|
||||
|
||||
Reference in New Issue
Block a user