Что такое ПЛИС и как она работает
Разделы "Цифровые схемы и логические вентили" и "Таблицы подстановки" являются переводом статьи "How Does an FPGA Work?[1]" за авторством
Alchitry, Ell C, распространяемой по лицензии CC 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.
С улучшением технологических процессов произошла миниатюризация базовых элементов, из которых состоят электронные схемы, что привело к появлению интегральных схем — электронных схем, выполненных на полупроводниковой подложке и заключенных в неразборный корпус.
В большинстве случаев, исправить ошибку, допущенную при разработке и изготовлении интегральной схемы становится невозможным. С учетом того, что изготовление прототипа интегральной схемы является затратным мероприятием (от десятков тысяч до миллионов долларов в зависимости от тех процесса и площади изготавливаемого кристалла), возникла необходимость в способе проверки прототипа схемы до изготовления её прототипа. Так появились программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).
ПЛИС содержит некое конечное множество базовых блоков (примитивов), программируемые 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).
Стоит оговориться, что обычно под термином ПЛИС подразумевается конкретный тип программируемых схем: FPGA (field-programmable gate array, программируемая пользователем вентильная матрица) здесь и далее термин ПЛИС будет использоваться как синоним FPGA.
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
В электронике, словом "цифровая" описывают схемы, которые абстрагируются от непрерывных (аналоговых) значений напряжений, вместо этого используется только два дискретных значения: 0 и 1. На текущем уровне абстракции нас не интересуют конкретные значения напряжений и пороги этих значений. К примеру, в ПЛИС часто используются значения 1.2 В в качестве 1 и 0 В в качестве 0. Если реальным значением сигнала будет напряжение 0.8 В, что достаточно близко к 1.2 В, оно всё ещё будет считаться 1.
Цифровые схемы разрабатываются таким образом, чтобы устанавливать крайние значения напряжений (сигнал, имеющий значение напряжения 0.8 В, пройдя через очередной логический вентиль будет иметь значение напряжения около 1.2 В), что делает их крайне устойчивыми к шумам и влиянию внешнего мира.
Таким образом, концепция "цифровой схемы" позволяет нам уйти от всего этого сложного поведения на уровне напряжений, давая нам возможность 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), выполняет определенную логическую функцию над входами и подает на выход результат этой функции в виде цифрового значения.
Логический вентиль И принимает два входа и выдает на выход значение 1 только в том случае, если оба входа равны 1. Если хотя бы один из входов 0, то на выходе будет 0. На схемах логический вентиль И отображается следующим образом:
Рисунок 1. Обозначение логического вентиля И.
Логический вентиль ИЛИ принимает два входа и выдает на выход значение 1 в случае, если хотя бы один из входов равен 1. Если оба входа равны 0, то на выходе будет 0. На схемах логический вентиль ИЛИ отображается следующим образом:
Рисунок 2. Обозначение логического вентиля ИЛИ.
Логический вентиль Исключающее ИЛИ принимает два входа и выдает на выход значение 1 в случае, если значения входов не равны между собой (один из них равен 1, а другой 0). Если значения входов равны между собой (оба равны 0 или оба равны 1), то на выходе будет 0. На схемах логический вентиль Исключающее ИЛИ отображается следующим образом:
Рисунок 3. Обозначение логического вентиля Исключающее ИЛИ.
Логический вентиль НЕ — самый простой. Он принимает один вход и подает на выход его инверсию. Если на вход пришло значение 0, то на выходе будет 1, если на вход пришло значение 1, то на выходе будет 0. Он обозначается на схемах следующим образом:
Рисунок 4. Обозначение логического вентиля НЕ.
Так же существуют вариации базовых вентилей, такие как И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ-НЕ, отличающиеся от исходных тем, что их выходы инвертируются.
Логические вентили строятся из транзисторов. Транзистор — это полупроводниковый элемент, может пропускать/блокировать ток в зависимости от поданного напряжения на его управляющий вход.
На приведенном ниже рисунке показан способ построения логического вентиля И на базе двух транзисторов. Подача значения 1 на вход А или B "открывает" соответствующий транзистор. Если оба транзистора открыты, на выход идет напряжение питания (1 в контексте цифровых значений). В случае, если хотя бы на одном входе А или B будет значение 0, соответствующий транзистор будет закрыт (можно считать, что он превратится в разрыв цепи). В этом случае выход будет подключен к земле (0 в контексте цифровых значений). Как вы видите, напряжение на выход подается от источников постоянного питания или земли, а не от входов вентиля, именно этим и обеспечивается постоянное обновление напряжения и устойчивость цифровых схем к помехам.
Рисунок 5. Обозначение логического вентиля Схема логического вентиля И, построенного на транзисторах.
Теперь, имея базовое представление о транзисторах и логических вентилях, мы можем построить из них что-то полезное. 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 символы (сумматоры, умножители, мультиплексоры), используемые при описании более сложных схем. Мы 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:
Рисунок 6. Обозначение Мультиплексора.
Символ / на линии sel используется, чтобы показать, 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 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.
Посмотрим, как можно реализовать мультиплексор с управляющим сигналом, использующим one-hot-кодирование, используя только логические вентили И, ИЛИ:
Рисунок 7. 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) 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.
Рисунок 8. Реализация мультиплексора, использующего one-hot кодирование.
Логический вентиль ИЛИ на данной схеме имеет больше двух входов. Подобный вентиль может быть создан в виде каскада логических вентилей ИЛИ:
Рисунок 9. 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.
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).
Рисунок 10. Реализация мультиплексора, использующего one-hot кодирование.
Меняя значение sel, мы можем управлять тем, какой из входов мультиплексора будет управлять его выходом.
Теперь, попробуйте представить огромную матрицу мультиплексоров, у которых можно "запрограммировать" управляющий сигнал sel (под "запрограммировать" подразумевается "выставить то значение, которое нам нужно"). Это позволит направлять сигналы вашей цифровой схемы туда, куда вам будет нужно. Именно так ПЛИС и управляет тем, куда именно приходят сигналы.
Разумеется, маршрутизация миллионов сигналов — дело запутанное, но по своей сути это всего лишь куча мультиплексоров, у которых управляющий сигнал sel подключен к программируемой памяти.
Таблицы подстановки (Look-Up Tables, LUTs)
Итак, у нас есть способ динамически менять маршрут сигналов и приводить их туда, куда нам нужно. Теперь необходимо понять, как генерировать произвольную логику. И для этого мы снова воспользуемся мультиплексорами, в частности их производными, которые называются Таблицы подстановки или 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 (далее LUT).
Рисунок 11. Реализация таблицы подстановки (Look-Up Table, LUT).
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 получить из 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:
| Адрес (In[1:0]) | Значение |
|---|---|
| 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.
Такой базовой ячейкой памяти является D-триггер, 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.
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 защелок, которые в свою очередь строятся из RS-триггеров, однако в конечном итоге, все эти элементы строятся на базе логических вентилей И/ИЛИ, НЕ:
Рисунок 12. 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).
Все эти блоки могут быть реализованы через логические вентили, например так можно реализовать сумматор:
Рисунок 13. Реализация полного однобитного сумматора.
Логическая ячейка
И вот, мы подходим к внутреннему устройству ПЛИС. Мы уже узнали, что в ПЛИС есть матрица программируемых мультиплексоров, направляющих сигналы туда, куда нам нужно.
Вторым важным элементом является логический блок (обычно состоящих из логических ячеек, но для простоты мы отождествим эти два термина).
Логический блок содержит одну или несколько LUT, арифметический блок, и один или несколько D-триггеров, которые соединены между собой некоторым количеством мультиплексоров. Ниже представлена схема того, как может выглядеть логический блок:
Рисунок 14. Схема логической ячейки[2].
Может показаться запутанным, но все 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.
Таким образом, конфигурируя каждый логический блок, можно получить следующие вариации кусочка цифровой схемы:
- Комбинационная схема (логическая функция, реализованная в LUT)
- Арифметическая операция
- Запись данных в D-триггер
- Комбинационная схема, с записью результата в D-триггер
- Арифметическая операция с записью результата в D-триггер
- Комбинационная схема с последующей арифметической операцией
- 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:
Рисунок 15. Пример использования логической ячейки.
Здесь вы можете увидеть использование LUT-ов, блока расчета ускоренного 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.
Выводы
Обобщим сказанное:
- Используя такие полупроводниковые элементы, как транзисторы, можно собирать логические вентили: элементы И, ИЛИ, НЕ и т.п.
- Используя логические вентили, можно создавать схемы, реализующие как логические функции (комбинационные схемы), так и сложную логику с памятью (синхронные схемы).
- 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.
- Подключив управляющий сигнал мультиплексора к программируемой памяти, можно управлять тем, какие сигналы пойдут на выход и направлять их в нужную часть схемы (маршрутизировать сигналы).
- 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.
- 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).
- Объединив LUT, арифметический блок и D-триггер получается структура в ПЛИС, которая называется логический блок.
- 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.
- Конфигурируя примитивы и маршрутизируя сигнал между ними (см. п.4), можно получить практически любую цифровую схему (с учетом ограничения ёмкости ПЛИС).
Источники
- Alchitry, Ell C / How Does an FPGA Work?
- Field-programmable gate array