Бродин В.Б., Калинин А.Б. Схемы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики, 2002

В начале программы описаны константа и переменные, т.е. значению константы и адресам регистров присвоены символические имена. В про­ грамме обращение к этой константе и переменным производится по при­ своенным именам.

Основная часть программы начинается с таблицы переходов системы сброса и прерываний. Собственно программа начинается с адреса $30 об­ нулением используемых регистров и загрузкой в указатель стека исход­ ного адреса $DF. Далее загрузкой регистров управления для таймера 0 указывается коэффициент деления тактовой частоты, а для таймера 1 указывается режим 8-разрядного ШИМ с низким уровнем выходного сигнала при совпадении (счетчика и уставки) и счете вверх. Тактовая частота для таймера 1 определена равной СК (системная частота). За­ грузка регистра TIMSK кодом $05 разрешает прерывания по переполне­ нию таймеров 0 и 1, а установка бита 6 регистра направления DDRB оп­ ределяет вывод PORTB.6 как выход. В конце основной программы выво­ ды порта В определяются как выходы и устанавливается общий флаг разрешения прерываний. Далее программа зацикливается и все действия выполняются по запросам прерываний от таймеров 0 и 1.

Процедура обработки прерывания по переполнению Таймера 0 начи­ нается с сохранения в стеке регистра A (R16), затем через регистр А пе­ резагружается счетный регистр таймера 0 (TCNT0) и далее в регистре А сохраняется содержимое SREG. После этого программный счетчик, включающий регистры TimeL, TimeM и TimeH, увеличивается на одно значение (4 мсек). Командой ADIW к 16-разрядному слову в младших двух регистрах прибавляется значение дискрета, при возникновении пе­ реноса инкрементируется старший байт в регистре TimeH. При таком подходе программный счетчик, работающий очень долго, является дейст­ вительно счетчиком реального времени, т.е. в нем всегда находится теку­ щее значение времени в миллисекундах от момента его запуска. Реальное время в миллисекундах обеспечивается соотношением тактовой частоты,

коэффициента ее деления для таймера 0 и константы перезагрузки тай­ мера 0. В завершение процедуры восстанавливаются значения SREG и регистра А.

Процедура обработки прерывания по переполнению Таймера 1 начи­ нается с сохранения в стеке регистров А и В, далее в регистре А сохраня­ ется содержимое SREG, а в регистр В помещается значение дискрета из­ менения порога (1). Управление ШИМ начинается с анализа флага PwmDown (R23.4). Если флаг установлен («гармошка» сжимается), то осуществляется переход на метку itDec, где из значения PWL вычитается дискрет и при отсутствии заема новое значение заносится в регистр срав­ нения OCR1B, изменяя порог и ширину импульса. При возникшем заеме флаг PwmDown сбрасывается, PWL обнуляется и заносится в регистр сравнения OCR1B. Если флаг PwmDown сброшен («гармошка» растяги­ вается), то к значению PWL прибавляется дискрет, новое значение срав­ нивается в верхней границей (если меньше границы, устанавливается флаг С) и если значение меньше границы, новое значение заносится в регистр сравнения OCR1B, изменяя порог и ширину импульса. Если зна­ чение вышло за верхнюю границу, флаг PwmDown устанавливается (пе­ реход на уменьшение), значение PWL приравнивается к верхней границе (PWL = PWmax) и новое значение заносится в регистр сравнения OCR1B. В конце процедуры восстанавливаются значения SREG и реги­ стров В и А.

ГЛАВА 5

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БИС ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКИ

5 .1 . Основные семейства ПЛИС фирмы Altera

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС, англ. pro­ grammable logic devices - PLD) применялись в начале в составе микро­ процессорных систем для замены стандартной логики, выполнявшей вспо­ могательные функции. Микропроцессорная техника в это время домини­ ровала, поскольку для нее был найден ясный инженерный подход к про­ ектированию систем. Разработчики быстро освоили магистрально­ модульную структуру аппаратных средств на основе ведущего микропро­ цессора и подчиненных ему интерфейсных БИС. Создание прикладных программ осуществлялось известными методами и средствами, использо­ вался ранее накопленный багаж знаний. Затруднения имели место на этапе комплексной отладки аппаратуры и программного обеспечения в реальном масштабе времени, но они были преодолены созданием метода внутри­ схемной эмуляции и комплексов инструментальных средств на основе эму­ ляторов. Появление персональных компьютеров дало дополнительное ус­

корение процессу обучения специалистов интегрированным методам проек­ тирования аппаратуры и программ.

Основные трудности при развитии идеи ПЛИС (как идеи свободного проектирования и изготовления разработчиком произвольного цифрового устройства) заключались в невозможности использования простого инже­ нерного подхода и необходимости создания новых математических методов синтеза цифровых структур в некотором элементном базисе на основе опи­ сания целевой логической функции. Требовалось во взаимосвязи решить следующие задачи:

•определить элементный базис ПЛИС - достаточно развитый, чтобы реализовать необходимые функции целевых устройств, и достаточно простой, чтобы время расчетов на инструментальном компьютере при синтезе не было чрезмерным;

•разработать математические методы синтеза устройств (в выбранном базисе), декомпозиции, компиляции, межэлементной трассировки, функционального моделирования и временного анализа;

•создать интегрированную систему проектирования цифровых уст­ ройств на ПЛИС.

Вначале появились микросхемы типа PLA (программируемые логиче­ ские матрицы - ПЛМ, из отечественных К556РТ1), их программирование осуществлялось в кодах через заполнение таблицы истинности. Позже появились микросхемы типа PAL и стали применяться языки программи­ рования ассемблерного типа, как например PALASM. В настоящее время БИС программируемой логики имеют степень интеграции до нескольких миллионов эквивалентных вентилей, быстродействие (ввода/вывода) до 400МГц. В качестве средств описания проектов применяются языки высо­ кого уровня типа HDL (Hardware Description Language), например AlteraHDL, VHDL, Verilog HDL.

Новый импульс развитию ПЛИС сообщило развитие коммуникацион­ ных технологий. Именно здесь, на больших потоках и предельных скоро­ стях обработки информации стали проявляться принципиальные ограни­ чения микропроцессоров, связанные с избыточностью их архитектуры. ПЛИС позволяет реализовать специализированную структуру, поэтому при одинаковой тактовой частоте реализованное устройство имеет существенное преимущество в быстродействии. С этой особенностью связана и другая быстро развивающаяся область применения ПЛИС - реализация функций цифровой обработки сигналов.

Из наиболее известных производителей ПЛИС следует отметить фир­ му Altera. Небольшая, вначале, компания удачно решила перечисленные выше задачи путем постепенного согласованного усложнения элементной базы и средств проектирования. Ее успехи ко второй половине 90-х годов вывели ее в число основных производителей микросхем ПЛИС.

224 СИСТЕМЫ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ И БИС ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКИ

Основные семейства ПЛИС фирмы Altera приведены ниже в таблице.

Технология изготовления EEPROM обеспечивает сохранение конфи­ гурации при отключении питания. Число логических эквивалентных вен­ тилей ПЛИС этой серии находится в диапазоне 600-5000, количество программируемых пользователем выводов 34-158, общее количество выво­ дов 44-208. Микросхемы этой серии могут быть запрограммированы с по­ мощью программатора, в этом случае можно использовать все линии I/O .

пользуются корпуса с большим количеством выводов, предъявляющие очень высокие требования к технологии печатных плат и монтажа. ПЛИС этой серии, кроме EPF6016 (Vcc = 5,0 В), имеют напряжение питания 3,3 В. Все ПЛИС этой серии имеют возможность программирования с исполь­ зованием устройств типа BitBlaster, ByteBlasterMV и MasterBlaster через выделенные линии. Каждый из пользовательских выводов может быть ин­ дивидуально переведен в третье состояние. Имеется возможность управле­ ния скоростью нарастания выходных сигналов.

Семейство МАХ7000 включает микросхемы МАХ7000А и МАХ7000АЕ с напряжением питания 3,3 В, МАХ7000В с напряжением питания 2,5 В и MAX7000S с напряжением питания 5,0 В, все имеют воз­ можность внутрисистемного программирования. Микросхемы МАХ7000АЕ представляют собой улучшенный вариант и допускают «горячее включе­ ние».

Каждая линия включает микросхемы типа ЕРМ7032, ЕРМ7064, ЕРМ7128, ЕРМ7256. Низковольтные линии включают микросхемы

EPM7160S, EPM7192S, ЕРМ7512А,В. Технология изготовления EEPROM

обеспечивает сохранение конфигурации при отключении питания. Число логических эквивалентных вентилей ПЛИС этой серии находится в диа­ пазоне 600-5000, количество программируемых пользователем выводов 36-164, общее количество выводов 44-208. Выводы имеют возможность эмуляции режимов открытого коллектора и третьего (высокоимпедансно­ го) состояния, существует возможность управления скоростью нарастания выходных сигналов. Может быть использовано не более 6 управляющих сигналов разрешения выхода.

логических эквивалентных вентилей ПЛИС этой серии находится в диа­ пазоне 600-5000, количество программируемых пользователем выводов 168-216, общее количество выводов 84-356. Из-за использования слож­ нейших корпусов ПЛИС этой серии программируются только внутрисистемно при помощи устройств типа BitBlaster и ByteBlasterMV.

Семейство FLEX10K включает микросхемы:

Архитектура этого семейства отличается от всех рассмотренных ранее наличием нескольких встроенных блоков памяти размером 2048 бит каж­ дый (4096 бит в FLEX10KE). В семействе имеются линии с напряжениями питания 5 В, 3,3 В и 2,5 В.

Семейство АРЕХ20К включает БИС очень высокой степени интегра­ ции и предназначено для построения вычислительных систем на одном кристалле.

Микросхемы имеют корпуса с общим количеством выводов от 144 до 984. Возможно до восьми глобальных синхросигналов. Каждый из пользо­ вательских выводов может быть индивидуально переведен в третье состоя­ ние.

Напряжение питания может быть равным 1,8 В и 2,5 В, но при этом обеспечивается совместимость по входам и выходам только со схемами с аналогичными логическими уровнями.

Для совместимости с уровнями 3 В- и 5 В-схем на второй вывод пита­ ния должно быть подано напряжение 3,3 В. Это называется M ultiV oltl/O интерфейс.