Структура и программирование ПЛИС фирмы Altera в САПР Quartus II, её применение в лабораторном стенде

Министерство науки и образования Украины

Одесский Национальный Политехнический Университет

Кафедра радиотехнических систем

Структура и программирование ПЛИС фирмы Altera в САПР Quartus II, её применение в лабораторном стенде.

Пояснительная записка

Курсовая работа

по дисциплине “Цифровые устройства и микропроцессоры”

Руководитель:

Цевух И.В.

“       ”________2004.

Выполнил:

Ст.гр. РТ-012

Анистратенко А.А.

“       ”________2004.

Одесса 2004г.

Техническое задание.

Спроектировать и описать основные принципы работы устройства на ПЛИС фирмы Altera серии МАХ7000 ЕРМ7064SLC44-10, являющегося лабораторным стендом для студентов изучающих данную дисциплину, а также программного пакета Quartus II,  являющегося программной средой для разработки, пронраммирования и отладки устройств на ПЛИС фирмы Altera.

Техническое задание…………………………………………………………………….1

Содержание………………………………………………………………………………….2

1.Общие сведения о ПЛИС…………………………………………………………….3

2.ПЛИС фирмы Altera семейства МАХ7000.…………………………………….9

3. Описание и программирование в САПР Quartus II v4.1 ……………..18

4.Устройство и характеристики программатора и стенда……………….34

Список использованной литературы……………………………………………..38

Приложение…………………………………………………………………………………39

1.Общие сведения о ПЛИС

ПЛИС — высокоинтегрированные гибкие универсальные устройства с мощной логикой, памятью и внутрисистемным репрограммированием. Расширение сферы применения ПЛИС определяется растущим спросом на устройства с быстрой перестройкой выполняемых функций, сокращением проектно-технологическогоцикла новых или модифицируемых изделий, наличием режимов изменения внутренней структуры в реальном масштабе времени, повышением быстродействия, снижением потребляемой мощности, разработкой оптимизированных сочетаний с микропроцессорами и сигнальными процессорами(DSP), а также снижением цен на эти устройства.

По принципу формирования требуемой структуры целевого цифрового устройства ПЛИС относят к двум группам. CPLD (Complex Programmable Logic Device) — комплексные программируемые логические устройства, энергонезависимые и с некоторым ограничением допустимого числа перезаписи содержимого. FPGA (Field Programmable Gate Array) — программируемые пользователем вентильные матрицы, не имеющие ограничений по числу перезаписей. В цифровой обработке сигналов (ЦОС) ПЛИС по сравнению с DSP имеют такие преимущества, как возможность организации параллельной обработки данных, масштабирование полосы пропускания, расширяемость устройства.

Xilinx, Altera, Actel, Atmel, Lattice Semiconductor, Cypress Semiconductor и другие компании активно создают ПЛИС, отличающиеся наличием новых функций и способствующих дальнейшему расширению сферы их применения. По результатам деятельности в 2003 году компании Xilinx, Altera и Actel стали основными разработчиками идеологии применения ПЛИС.

Xilinx (www.xilinx.com; www.plis.ru) основанав1984 году. Xilinx при изготовлении ПЛИС использует технологии на основе статического ОЗУ (FPGA серий ХС 4000, XC 3000, XC 5200, Spartan, Virtex), Flash-памяти (CPLD XC 9500) и ЭППЗУ (CPLD серии CoolRunner). Компания Xilinx — создатель ПЛИС FPGA. В настоящее время популярными семействами являются Virtex-II, Virtex-II Pro, Spartan-IIE и Spartan-3. FPGA серий Virtex и Spartan кроме элементов логики, реализуемых оперативную память, не занимающую LC; быстродействующие модули общего назначения; элементы реализации стандартов входов выходов. Компания Xilinx в 2002 году, используя ядра RISC-процессо-ров IBM PowerPC и ПЛИС Virtex-II Pro, расширила сферу приложения ПЛИС. Ядро содержит: 5-ступенчатый конвейер обработки данных; устройство аппаратного умножения и деления; тридцать два 32-разрядных регистра общего назначения; двунаправленный модульно-ассоциативный кэш команд и кэш данных (по 16 кбайт); устройство управления памятью. Потребляемая мощность ядра —0,9 мВт/МГц. Компания Xilinx для изготовления специализированных FPGA в 2003 году приступила к использованию модульной архитектуры ASMBL (Application Specific Modular Block). Архитектура ASMBL опробована на серии Virtex, изготовленной по технологии 90 нм. конфигурируемый логический блок;

Компания Xilinx — не только создатель FPGA, но и разработчик серий CPLD (XC9500, CoolRunner, CoolRunner-II). Среди последних разработок компании — семейство CoolRunner-II с архитектурой XPLA3. В сравнении с CoolRunner достигнуто более низкое энергопотребление и высокое быстродействие (применена технология FZP), реализованы возможности поддержки различных цифровых сигнальных стандартов I/О. Последняя версия интегрированного программного обеспечения(ПО) позволяет повысить быстродействие последних моделей ПЛИС до 400 МГц и обеспечить эффективное конструирование на кристалле меньшей площади. Снижение производственной стоимости может достигать 60%.

Помимо компаний-производителей ПЛИС многие сторонние фирмы разработчики интегральных схем участвуют в создании САПР. Компания Mentor Graphics поставляет семейство средств синтеза — Precision Synthesis. Данный продукт является частью комплексного маршрута проектирования ПЛИС, включая создание, верификацию и интеграцию проекта, в том числе с использованием IP-cores.

·                                Коммуникации и сети (поддержка дуплексного режима 1 Гбит Ethernet — Virtex-II; поддержка режима 10/100 Мбит Ethernet —Virtex-II, Spartan-II; декодер Рида-Соломона для цифрового TV, кабельных модемов, беспроводных сетей — серии Virtex, Spartan).

·                                ЦОС (преобразования Фурье — серия Virtex; регистр сдвига с линейной обратной связью для исправления ошибок в системах передачи данных — серии Virtex, Spartan).

·                                Математические функции (сумматор, вычитатель — серии Virtex, Spartan; делитель в режиме с плавающей точкой для DSP-приложений — серии Virtex, Spartan-II).

·                                Память и ее компоненты (ассоциативная память — серии Virtex, Spartan).

Радиационно-стойкие FPGA серии Virtex успешно используются в «главном мозге» вездехода Opportunity MER на Марсе (январь 2004 года), контролируя колесные двигатели, управление и различные контрольно-измерительные приборы.

 Компания Altera (www.altera.com,www.altera.efo.ru) основана в 1983 году. Altera выпускает CPLD серий FLEX, MAX3000А, MAX7000В, MAX7000А, MAX7000, MAX II и FPGA серий ACEX, APEX, Mercury, Excalibur, Cyclone, Stratix. Компания Altera в конце 80-х годов первая предложила принципы построения энергонезависимых CPLD, а в 2004 году представила новое семейство CPLD MAX II. В сравнении с предыдущими семействами MAX оно в 2 раза дешевле, потребляемая мощность в 10 раз меньше, логическая емкость в 4 раза больше, а быстродействие в 2 раза выше. Таких результатов удалось достичь за счет использования LUT-based архитектуры на основе макроячеек (LAB) и технологии Flash с шестью уровнями металлизации. Семейство поддерживается бесплатной версией САПР Quartus II Web Edition.

С недавних пор компания Altera правомерно использует название FPGA для выпускаемых ПЛИС соответствующих серий. В 2002 году начато производство FPGA семейства Stratix. Микросхема содержит 28 блоков ЦОС с встроенными оптимизированными для ЦОС умножителями (99 с общим числом 224). ПЛИС Stratix обладают широкой полосой пропускания за счет реализации:

·                                максимального быстродействия проектирования системы с помощью соединительной матрицы MultiTrack и техники маршрутизации DirectDrive;

·                                трехуровневой системы памяти TriMatrix; широкополосных блоков DSP;

·                                средств I/O, поддерживающих различные стандарты дифференциального I/O и высокоскоростные интерфейсы систем связей.

Последние обслуживают до 116 каналов, из которых 80 рассчитаны на скорость передачи до 840 Мбит/с). Блоки памяти TriMatrix состоят из трех реконфигурируемых модулей, 12 модулей MegaRAM емкостью 512 кбит каждый, до 520 модулей М4К емкостью 4 кбит, до 1118 модулей М512 емкостью 512 бит. Добавлением к функциям семейства Stratix высокоскоростных последовательных приемопередатчиков (от 4 до 20) получено семейство Stratix GX. При этом использовалась технология Clock Dak Recovery, имеющая встроенные блоки SERDES со скоростью обмена данными по последовательному каналу до 3,125 Гбит/с. FPGA Stratix и Stratix GX производятся со встроенными DSP (до 20 GMAC). Используя преимущества семейства Stratix, компания Altera в 2004 году представила семейство ПЛИС Stratix II, имеющее улучшенную логическую структуру и позволяющее разработчикам на меньшей площади кристалла реализовать те же функциональные возможности. В микросхеме поддерживается более 9Мбит

Компанией Altera для программной поддержки ПЛИС созданы среды разработки MAX+PLUS II и Quartus II, а также бесплатные MAX+PLUSIIBASELINE и QuartusII Web Edition ver. 4. САПР поддерживают все этапы проектирования.

 Некоторые сферы приложений ПЛИС:

·        ЦОС (быстрое преобразование Фурье — серии Excalibur, APEX, Mercury, Stratix; системы передачи данных — серии Excalibur, AP

·        Коммуникации и сети (SDLC-контроллер —Stratix, Stratix II, Cyclon; 502 MAC-семейства Excalibur, Stratix; кодер/декодер — ACEX, APEX, Stratix II; конвертор — серии ACEX, APEX, Stratix, Excalibur).

  К областям применения ПЛИС компании Altera следует отнести цифровые радиорелейные станции, радиолокационное оборудование, электронно-бытовую технику, медицинскую технику, управляющие контроллеры, информационные панно, счетчики жидкости и тепла, кассовые терминалы, торговые автоматы и многое другое.

 Компания Actel (www.actel.com, www.actel.ru,www.asicdesign.ru) основана в1985 году. Компания занимает третье место в мире пообъему продаж FPGA ($150 млн. в2003 году) после Xilinx и Altera. Компания предлагает микросхемы:

·        перепрограммируемые по Flash-техноло-гии (семейства ProASIC,  ProASICPLUS, HiReProASICPLUS);

·        однократно программируемые по Antifuse-технологии (семейства Axcelerator, eX,SX/SX-A, MX, Legocy Products, HiRelAntifuse);

·        однократно программируемые радиационно-стойкие.

 В отличие от продуктов других компаний, ПЛИС Actel имеют элементы Flash-памяти, распределенные по всей площади кристалла, которые одновременно являются ключами, задающими конфигурацию. Из последних разработок FPGA — энергонезависимое семейство ProASICPLUS. Архитектура микросхемы состоит из ядра, цепи маршрутизации, блоков встроенной памяти, блоков обработки синхрочастоты, блоков I/O, порта JTAG. Поддерживается ПО Designer компании Actel. У ProASICPLUS при сопоставлении с FPGA других компаний с одинаковым количеством вентилей число выводов больше. Основное свойство микросхемы, позволяющее существенно расширить сферу их применения — это радиационная стойкость по накопленной дозе не менее 200 крад. С первого квартала 2004 года компания выпускает образцы новой быстродействующей серии Military Axcelerator, аттестованных на полный военный диапазон. Схемы обеспечивают внутреннее быстродействие 500 МГц, скорость передачи данных между кристаллами 300 МГц и содержат от 30 тыс. до 250 тыс. вентильных элементов. Реализуются в пластмассовых или герметичных корпусах(температурный диапазон: –55…+125°С). Исходная цена — $770.

Для отладки проектов на ПЛИС с Flash-технологией используется Modelism фирмы MentorGraphics, а для ПЛИС с Antifuse-технологией — бесплатные средства разработки Libero IDE Silver. Продукция компании предназначена в первую очередь для военных и космических приложений. Однако в последнее время расширяется сфера применения разработок для индустриального (атомная промышленность), телекоммуникационного (модемы, роутеры,  маршрутизаторы), медицинского (диагностическое), систем защиты данных (криптография), игрового и другого оборудования. Компания предлагает следующие семейства IP-ядер:

·        интерфейсные шины;

·        передача данных;

·        процессоры и периферийные устройства;

·        безопасность;

·        контроллеры памяти;

·        мультимедиа и коррекция ошибок.

Например, IP-ядра:

·        Коммуникации и сети (кодер/декодер —Axcelerator, SX-A/SX; поддержка режима10/100/1000 в Ethernet-коммутаторах, концентраторах, маршрутизаторах —Axcelerator, ProASICPLUS).

·        Процессоры (8-разрядное микропроцессорное ядро Zilog Z80 фирмы CAST —Axcelerator, ProASICPLUS, SX-A/SX, RTSX-S;8-разрядный микро

Компания Atmel (www.atmel.com,www.atmel.ru, www.atmel.argussoft.ru) основана в 1984 году. Компания известна разработкой, производством и маркетингом продвинутых полупроводниковых приборов, в том числе ПЛИС CPLD и FPGA. Atmel выпускает программируемые SoC, например АТ94К10, включающую RISC-микроконтроллер, ПЛИС, схему управления, память и устройство ввода-вывода. Такой уровень интеграции успешно используется в портативном и беспроводном оборудовании: персональных цифровых помощниках и их периферийных устройствах, вспомогательном оборудовании сотовых телефонов, глобальных системах позиционирования, портативном тестовом оборудовании, устройствах розничной торговли, системах безопасности, беспроводных сетях. В новой платформе AT91RM9200 (2003 год)используется процессор ARM920T, стандартная матрица, состоящая из периферийных устройств памяти. Такое решение позволяет заменять процессоры для ЦОС. Atmel или заказчик IP-модуля может добавить ПЛИС FPGA, например Virtex-II от XiIinx. При загрузке FPGA компания Atmel использует микросхемы памяти серии АТ17СХХХ, построенные по Flash-технологии. Для проектирования можно использовать продукты Synario, ABEL и CUPL.

Таб.1.1.Сводная таблица по ПЛИС Altera.