книги / Реализация цифровых автоматов в системе Quartus фирмы Altera

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

С.Ф. Тюрин, А.В. Греков, О.А. Громов

РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ АВТОМАТОВ В СИСТЕМЕ QUARTUS ФИРМЫ ALTERA

Лабораторный практикум

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2011

1

УДК 621.399 Т89

Рецензент: заслуженный изобретатель Украины

доктор технических наук, профессор В.С. Харченко (Национальный аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского«Харьковский авиационный институт»)

Тюрин, С.Ф.

Т89 Реализация цифровых автоматов в системе Quartus фирмы Altera: лаб. практикум / С.Ф. Тюрин, А.В. Греков, О.А. Громов – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2011. – 13434 с.

ISBN 978-5-398-00698-8

Представлены материалы для лабораторных занятий, а также для практических занятий и самостоятельного изучения.

Предназначено для студентов, изучающих дисциплины: «Основы схемотехники (цифровая схемотехника)», «Аппаратные средства вычислительной техники», «Микропроцессорные средства систем управления», «Вычислительная техника и информационные технологии».

Издание может быть полезно магистрам и аспирантам при проведении научных исследований систем на основе ПЛИС.

УДК 621.399

4

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время все больше разработчиков аппаратных средств используют программируемые логические схемы (ПЛИС). ПЛИС активно применяются при разработке отказо- и сбоеустойчивыхцифровых систем.

ПЛИС используют разработчики высоконадежных систем управления летательными аппаратами, например на Пермском предприятии «Стар».

Одно из предприятий Украины, специализирующееся на создании цифровых систем защиты атомных электростанций, использует многоканальные аппаратные контроллеры на ПЛИС. Поэтому знания и умения в области синтеза систем на ПЛИС необходимы современному специалисту-инженеру.

Впредлагаемом издании изложен материал по синтезу цифровых автоматов на ПЛИС фирмы Altera с использованием программного продукта Quartus II. Приведен материал по ПЛИС фирмы Altera, сведения о системе Quartus II. Детально разработаны лабораторные работы по синтезу цифровых автоматов на «жесткой» и «гибкой» логике. В приложении приведен пример разработки схемы на базе так называемых функциональнополных толерантных элементов – сохраняющих функциональную полноту при однократных константных отказах входов.

Материал практикума подготовили: С.Ф. Тюрин (лабораторные работы 1–7), А.В. Греков (материал по программному продукту Quartus II, материал приложений), О.А. Громов (лабораторные работы 7–9). В разработке лабораторной работы №9 участвовали также студенты И.М. Сафин и А.Н. Каменских Общее редактирование выполнил С.Ф. Тюрин

Авторы выражают глубокую и искреннюю благодарность профессорам Николаю Николаевичу Матушкину и Александру Анатольевичу Южакову за ценные замечания и постоянную поддержку в работе.

5

ПОНЯТИЕ О ПЛИС

Программируемая́ логическая́ интегральная́ схема́

(ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD, программируе-

мое логическое устройство – ПЛУ, программируемая большая интегральная схема – ПБИС, интегральная схема с программируемый структурой – ИСПС) – электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем.

Внастоящее время чаще всего используется термин ПЛИС.

Вотличие от обычных цифровых микросхем логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задается посредством программирования (проектирования). Для программирования используются отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках Verilog, VHDL. Альтернативой ПЛИС являются заказные БИС (большие интегральные схемы), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже, и компьютеры (микроконтроллеры), которые из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС.

Некоторые производители ПЛИС предлагают процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС, тем самым уменьшив место на печатной плате и упростив разработку для самой ПЛИС.

Рассмотрим классификацию программируемых логических схем (ПЛИС) [1] (рис. 1).

ПЛМ – программируемые логические матрицы, ПМЛ – программируемые матрицы логики, ВМ – вентильные матрицы (базовые матричные кристаллы – БМК), «гибкие» – FLEX структуры, включают CPLD и FPGA.

6

Рис. 1. Классификация ПЛИС

•CPLD (англ. complex programmable logic device – слож-

ные программируемые логические устройства) содержат относительно крупные программируемые логические блоки – макроячейки (англ. macrocells), соединенные с внешними выводами

ивнутренними шинами. Функциональность CPLD кодируется в энергонезависимой памяти, поэтому нет необходимости их перепрограммировать при включении.

•FPGA (англ. field-programmable gate array) содержат бло-

ки умножения – суммирования (DSP), которые широко применяются при обработке сигналов, а также логические элементы (как правило, на базе таблиц перекодировки (таблиц истинности)) и их блоки коммутации. FPGA обычно используются для обработки сигналов, имеют больше логических элементов и более гибкую архитектуру, чем CPLD. Программа для FPGA хранится в распределенной памяти, которая может быть выполнена как на основе энергозависимых ячеек статического ОЗУ (подобные микросхемы производят, например, фирмы Xilinx и Altera) – в этом случае программа не сохраняется при исчезновении электропитания микросхемы, так и на основе энергонезависимых ячеек Flashпамяти или перемычек antifuse (такие микросхемы производит фирма Actel и Lattice Semiconductor) – в этих случаях программа

7

сохраняется при исчезновении электропитания. Если программа хранится в энергозависимой памяти, то при каждом включении питания микросхемы необходимо заново конфигурировать ее при помощи начального загрузчика, который может быть встроен и в саму FPGA. Альтернативой ПЛИС FPGA являются более медленные цифровые процессоры обработки сигналов. FPGA применяются также как ускорители универсальных процессоров в суперкомпьютерах (например: Cray – XD1, SGI – Проект

RASC).

Имеются также целые системы на программируемом кристалле – SOPC, включающие и аналоговые компоненты. Альтернатива ПЛИС – заказные микросхемы ASIC.

ASIC (application-specific integrated circuit) – специализи-

рованная для решения конкретной задачи интегральная схема (ИС). В отличие от ИС общего применения заказные специализированные интегральные схемы применяются в конкретном устройстве и выполняют строго ограниченные функции, характерные только для данного устройства. Примером ASIC может являться микросхема, разработанная исключительно для управления функциями схемы мобильного телефона.

Микросхема, часто выполненная под заказ, разработана для решения определенных задач. ASIC имеет узкий круг применения, обусловленный ее назначением. Она эффективнее ПЛИС, но гораздо дороже.

8

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИРМЕ ALTERA

Altera – одна из крупнейших разработчиков ASIC, программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), была основана в 1983 г. Предприятие входит в индекс котировок акций S&P 500, а на бирже NASDAQ значится под аббревиатурой ALTR. Как предприятие без собственных производственных мощностей, Altera концентрируется в первую очередь на разработке схем и модулей на основе таких языков описания аппаратуры, как VHDL, Verilog и собственный AHDL. В области производства микросхем сотрудничает с различными производителями (рис. 3). На рис. 2 показана одна из CPLD ПЛИС.

Рис. 2. CPLD ПЛИС Altera MAX 7128 2500

9

а

б

Рис. 3. Эмблема фирмы (а) и штаб-квартира фирмы Altera в г. Сан-Хосе, Калифорния, США (б)

Основные изделия – это программируемые микросхемы, а также услуги по преобразованию проектов под ПЛИС в ASIC для массового производства. Компания также выпускает программыдля разработки встроенного программного обеспечения для ПЛИС, а также компиляторы под ядро процессора собственной разработки.

Основной конкурент – компания Xilinx. Следующие значимые конкуренты в данной отрасти – это Lattice и Actel. Quartus® II – интегрированная среда разработки встроенного программного обеспечения для ПЛИС. Свободно распространяется фирмой для обучения пользователей.

10