5.2. САПР ПЛИС

Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) – электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др.

Продукты Altera. Altera – одна из крупнейших разработчиков ПЛИС, была основана в 1983 г. 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.

Основные изделия – это программируемые микросхемы, а также услуги по преобразованию проектов под ПЛИС для массового производства. Компания также выпускает программы для разработки встроенного ПО для ПЛИС, а также компиляторы под ядро процессора собственной разработки. На сегодняшний момент это два программных продукта для обеспечения ПЛИС: Max +Plus II и Quartus II.

Программный продукт Max + Plus II представляет собой интегрированную среду для разработки цифровых устройств на базе ПЛИС фирмы Altera и обеспечивает выполнение всех этапов, необходимых для выпуска готовых изделий (рис. 53):

· ввод проектов;

· подготовку данных для программирования или конфигурирования ПЛИС (компиляцию);

· верификацию проектов (функциональное моделирование и временной анализ);

· программирование или конфигурирование ПЛИС.

Фирма Altera предлагает бесплатную версию САПР Max + Plus II BASELINE, которая поддерживает все этапы проектирования от ввода проекта до программирования (поддерживаются не все микросхемы). Бесплатные версии САПР доступны на сайте фирмы Altera.

САПР Max + Plus II менее требователен к характеристикам компьютера. Он поддерживает семейства Max, Flex и Acex. Этот САПР фирма Altera не развивает и рекомендует переходить на Quartus II, который является для нее основным. Он поддерживает все новые семейства микросхем.

Окно программы Max + Plus II

ПО Quartus II предоставляет полный цикл для создания высокопроизводительных систем на кристалле и объединяет в себе все этапы проектирования (ввод проекта, компиляция, верификация и программирование), связь с системами проектирования других производителей, возможность реализации проектов для любого кристалла фирмы Altera; подключаются библиотечные модули. Программирование микросхем происходит непосредственно из системы проектирования.

Quartus II поддерживает разнообразные средства описания проекта: схемный ввод, описания проекта языками AHDL, VHDL или Verilog, также введен редактор блоков (Block Editor), графическое средство описания параметризируемых модулей. Система предоставляет разработчику широкие возможности по различным изменениям при компиляции проекта. Если изменения при очередной итерации проекта затронули не весь проект, а его небольшую часть, то в системе имеется возможность так называемой nSTEP-компиляции, чем достигается высокая эффективность размещения на кристалле, приводящая к высокой производительности конечного изделия.

Фирма Altera предлагает бесплатные версии САПР Quartus II Web Edition, которая поддерживает все этапы проектирования – от ввода проекта до программирования. Пакет Quartus II Web Edition является бесплатной версией начального уровня САПР Quartus II и позволяет выполнять проекты на базе ПЛИС ограниченного числа кристаллов.

Последней рабочей версией (по состоянию на декабрь 2014 г.) является Quartus II v.14.1.

Продукты Xilinix. С 1984 г., когда впервые в мире Xilinx выпустила ПЛИС с архитектурой FPGA,

и по настоящее время компания является ведущим мировым производителем микросхем программируемой логики. Технологии Xilinx позволяют производителям электронного оборудования минимизировать риски за счет сокращения времени на разработку новой продукции и сроков ее выхода на рынок. Разработчики могут проектировать и заниматься отладкой своих уникальных устройств на базе ПЛИС Xilinx гораздо быстрее, чем при использовании традиционных методов, при которых микросхемы получают фиксированную структуру в момент их изготовления. Более того, поскольку ПЛИС Xilinx представляют собой готовые к программированию стандартные изделия, разработчикам не требуется ждать изготовления прототипов или идти на существенные затраты для подготовки производства, как при использовании фиксированной логики или ASIC (Applications Specific Integrated Circuit).

ПО ISE фирмы Xilinx (рис. 54) давно известно как средство, обеспечивающее высокую производительность разрабатываемых устройств с программируемой логикой, при этом ISE является простым в освоении и недорогим продуктом. В версии ПО ISE 8.1i фирма Xilinx представляет новую технологию ISE Fmax, которая, как следует из ее названия, разработана для повышения производительности создаваемых устройств на базе ПЛИС и устранения узких мест проектов. САПР ISE позволяет значительно сократить сроки реализации проектов.

Окно программы Xilinix ISE

Для проектов с большим логическим объемом и высокой производительностью Xilinx предлагает семейство ПЛИС Virtex-4 – аппаратная платформа для реализации наиболее сложных проектов. Для крупносерийных проектов предлагаются семейство Spartan-3 и ПЛИС CPLD, которые предназначены для разработки изделий, рассчитанных на большие тиражи при низкой стоимости. Одновременно Xilinx предоставляет разработчикам полноценный набор средств проектирования, позволяющих раскрыть всю мощь аппаратных решений.

ISE WebPACK 8.1i является бесплатным, свободно загружаемым через Интернет средством проектирования, которое обеспечивает сквозной маршрут проектирования для ПЛИС FPGA и CPLD. Эта САПР включает синтез и моделирование на HDL, размещение и трассировку проектов, а также программирование кристаллов по JTAG-интерфейсу. ISE WebPACK создает простую в освоении и полнофункциональную среду проектирования, как и отмеченная призами САПР Xilinx ISE Foundation, только бесплатно. Таким образом, компанией Xilinx разработано удобное для работы средство проектирования. Его легко актуализировать путем загрузки обновлений или полной инсталляции из одного файла.

ISE Foundation – полнофункциональная версия ПО ISE, сочетающая поддержку всех ведущих семейств ПЛИС FPGA и CPLD фирмы Xilinx. Это наиболее полное средство проектирования для устройств с программируемой логикой, обеспечивающее оптимальную производительность, управление потребляемой мощностью, снижение стоимости изделия, а также имеющее лучшую по отрасли службу технической поддержки Xilinx. ISE Foundation также поддерживает методологию частичного реконфигурирования, что позволяет уменьшить размер проектируемого устройства, его массу, потребляемую мощность и стоимость. И ISE Foundation, и ISE WebPACK в настоящее время поддерживают технологию Fmax, которая обеспечивает повышение производительности до 70% для ПЛИС Virtex-4 по сравнению с аналогичными решениями других фирм.

Алгоритмы синтеза нового поколения предусматривают технологию, определяемую термином retiming, отображение проекта на физические ресурсы с учетом заданных временных параметров, глобальную оптимизацию и оптимизацию по итогам размещения. При использовании новой версии САПР в режиме «по умолчанию» (при незаданных физических ограничениях) по сравнению с предыдущими версиями повышается производительность на 37%. Утилита Xplorer – бесплатное, простое в использовании программное средство, обеспечивающее 10%-ный прирост производительности для проектов с временными ограничениями.

Помимо ISE Foundation и WebPACK компания Xilinx предлагает пакет дополнительных средств разработки, предназначенный для проектирования на системном уровне, достижения максимальной производительности, а также отладки и анализа проектов.

ПО PlanAhead позволяет разработчикам анализировать топологию кристалла и улучшать производительность проектов.

ChipScope Pro – система внутрисхемной отладки. Она работает посредством внедрения в проект IP-ядер логического анализатора, шинного анализатора и виртуального ввода/вывода, позволяя наблюдать за любым заданным внутренним сигналом или узлом, включая встроенные аппаратные или софт-процессоры.

Xilinx Embedded Development Kit (EDK) – интегрированный программный пакет для сквозной разработки встраиваемых процессорных систем.