Поисковое проектирование модели ПЛИС для построения системы цифровой обработки сигналов

Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx, их характеристики и значимость в процессе построения систем цифровой обработки сигналов. Создание базы параметров, фактов и запрещенных комбинаций для решения открытой задачи поискового проектирования модели ПЛИС.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПЛИС И СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

1.1 ПЛИС фирмы Xilinx

1.2 Архитектура современных ПЛИС фирмы Xilinx

1.2.1 Архитектура логических ячеек

1.2.2 Блочная память

1.2.3 Блоки цифровой обработки сигналов

1.2.4 Скоростные последовательные приемопередатчики

1.2.5 Блоки ввода-вывода

1.3 Сравнительный анализ ПЛИС на примере КИХ фильтра

2. РЕШЕНИЕ ОТКРЫТОЙ ЗАДАЧИ ПОИСКОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОДЕЛИ ПЛИС ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ЦОС

2.1 Постановка задачи

2.2 Формирование начальной базы параметров и удачных/неудачных фактов

2.3 Формирование базы запрещенных комбинаций

2.4 Решение открытой задачи с использованием Решателя Открытых Задач

2.5 Блок качественной оценки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ



ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

· ЦОС: Цифровая Обработка сигналов (DSP - Digital Signal Processing)

· ПЛИС: Программируемые Логические Интегральные Схемы (PLD)

· СБИС: (специализированная) Сверх Большая Интегральная Схема (Application Specific Integral Circuit - ASIC)

· РОЗ: Решатель Открытых Задач

· ПЗУ: Постоянное Запоминающее Устройство

· ЛЯ: Логическая Ячейка

· LUT: Look-Up Table - логическая таблица, таблица истинности

· КИХ фильтр: фильтр с конечной импульсной характеристикой

· САПР: Система Автоматизированного Проектирования (CAD)

· ISE: Integrated Software Environment - САПР фирмы Xilinx



ВВЕДЕНИЕ

Цифровая обработка сигналов (ЦОС, DSP) - область науки и техники, в которой изучаются принципы, методы и алгоритмы обработки сигналов средствами вычислительной техники. Данное направление зародилось в 1950-х годах и использовалось в основном в оборонных отраслях в первую очередь для решения задач радиолокации, обработки гидроакустических и тепловизионных сигналов.

Системы цифровой обработки сигналов широко применяются в различных областях современной техники, и их распространение растет с каждым годом. Вот только некоторые из отраслей, которые трудно себе представить сегодня без ЦОС [1, 2]:

§ Военная (радары, локаторы, шумоподавители, генераторы помех, связь, шифраторы)

§ Медицинская (измерительные приборы, мониторинг систем жизнеобеспечения)

§ Автомобильная (обработка информации от всевозможных датчиков, диагностика)

§ Аудио системы (кодирование и распознавание звука, аудио-процессоры)

§ Видео системы (цифровое ТВ, сжатие видео, распознавание образов)

§ Связь (спутники, коммутаторы, мобильные телефоны)

В данной работе будут подробно изучены современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx, рассмотрены их основные характеристики ПЛИС, а также их значимость для построения систем цифровой обработки сигналов. На основании этого будет составлена начальная база (параметры поискового проектирования модели ПЛИС, примеры удачных и неудачных фактов, а также запрещенные комбинации) для Решателя Открытых Задач (РОЗ). В процессе «обучения» Решателя планируется получить наиболее удачные комбинации параметров и определить оптимальную модель ПЛИС для реализации на ней системы цифровой обработки сигналов согласно выбранным критериям.

Техническое задание на курсовую работу приведено в приложении А.



1. ПЛИС И СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

1.1 ПЛИС фирмы Xilinx

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) представляют собой одно из самых интересных и быстро развивающихся направлений современной цифровой микроэлектроники. За последнее десятилетие наблюдался бурный рост рынка этих устройств и существенное улучшение их характеристик. Прогнозы в этой области на ближайшее время представляются самыми оптимистичными [1, 6].

С появлением ПЛИС проектирование цифровых микросхем перестало быть уделом исключительно крупных предприятий с объемами выпуска в десятки и сотни тысяч кристаллов. Проектирование и выпуск небольшой партии уникальных цифровых устройств стало возможным в условиях проектно-конструкторских подразделений промышленных предприятий, в исследовательских и учебных лабораториях и даже в условиях домашних радиолюбительских рабочих мест. Промышленно выпускаемые «заготовки» программируемых микросхем с электрическим программированием и автоматизированным процессом перевода схемы пользователя в последовательность импульсов программирования делают проектирование новых цифровых устройств сравнимым с разработкой программного обеспечения.

Привлекательность данной технологии заключается в предоставляемой конечному пользователю возможности быстрого создания цифровых устройств с произвольной внутренней структурой. По сравнению со специализированными цифровыми микросхемами СБИС (ASIC - Application Specific Integral Circuit), цикл разработки устройств на ПЛИС занимает значительно меньшее время и неизмеримо дешевле (благодаря тому, что изменение принципиальной электрической схемы выполняется путем перепpoграммирования одного и того же экземпляра микросхемы) [1, 6].

В настоящее время ведущими мировыми производителями ПЛИС являются фирмы Xilinx и Altera. Каждая из них выпускает целый спектр продукции, включая ПЛИС с различной архитектурой, флеш-ПЗУ для хранения конфигурации, САПР, средства программирования и отладки. Немаловажным является тот факт, что САПР минимальной конфигурации этих фирм распространяется бесплатно, а его возможности вполне достаточны для освоения данной технологии и разработки цифровых устройств начального и среднего уровня.

В настоящее время компания Xilinx выпускает несколько серий ПЛИС двух типов [1]:

* FPGA - Field Programmable Gate Array - устройства, использующие для хранения конфигурации энергонезависимую память (Flash или EEPROM);

* CPLD - Complex Programmable Logic Device - устройства, использующие для хранения конфигурации энергозависимую память, которая требует инициализации после включения питания.

Микросхемы ПЛИС типа FPGA появились в 1985 году по инициативе компании Xilinx, предложившей «микросхему-конструктор» - полупроводниковый кристалл с цифровыми компонентами без жестко зафиксированных металлических соединений, формирующих конкретную схему. Соединениями в FPGA можно управлять путем замыкания транзисторных ключей, во множестве размещенных на том же кристалле. На протяжении десятилетий характеристики FPGA постоянно улучшались, объем выпуска увеличивался, а спектр применений расширялся. В настоящее время можно выделить следующие подсемейства выпускаемых серий ПЛИС на примере семейства Virtex-5 [2, 4]:

- LX - логическая обработка данных;

- LXT - логическая обработка данных с высокоскоростными последовательными интерфейсами;

- SXT - цифровая обработка сигналов (DSP) с высокоскоростными последовательными интерфейсами;

- TXT - цифровая обработка сигналов (DSP) с высокоскоростными последовательными интерфейсами удвоенной производительности;

- FXT - процессорная система и сверхвысокоскоростной обмен данными;

На рис. 1 представлены современные серии ПЛИС Xilinx [1].

Рис. 1. Современные ПЛИС фирмы Xilinx

Рассмотрим архитектуру ПЛИС на примере микросхемы семейства

Spartan-3 (рис. 2).

Прим.: семейство Spartan™-3 специально разработано для использования в электронных устройствах, рассчитанных на большие тиражи и недорогие комплектующие [1, 4, 6].

Рис. 2. Структурная схема кристалла ПЛИС Spartan-3

На рис. 2 изображены 5 фундаментальных программируемых элементов архитектуры ПЛИС семейства Spartan-3:

- Конфигурируемый логический блок - КЛБ. На базе КЛБ реализуется комбинаторная и синхронная логика, включая базовые запоминающие элементы.

- Блок ввода-вывода - БВВ. БВВ осуществляют коммутацию выводов корпуса микросхемы с внутренней конфигурируемой логикой. БВВ поддерживают большинство сигнальных стандартов ввода-вывода, существующих в настоящее время.

- Блок памяти. Каждый блок может конфигурироваться как двухпортовое ОЗУ ёмкостью 18 кбит.

- Блок умножителя. Встроенный умножитель 18x18 бит.

- Цифровой блок управления синхронизацией - DCM (Digital Clock Manager).

В данной работе будут подробно рассмотрены и использованы в поисковом проектировании параметры ПЛИС семейства Spartan-6, Virtex (с 4й по 7ю серию), а также Artix-7 и Kintex-7 (7 серия ПЛИС наряду с Virtex-7).

1.2 Архитектура современных ПЛИС фирмы Xilinx

Возрастание сложности ПЛИС приводит к тому, что ознакомление только с технической документацией не всегда позволяет дать развернутую картину того, как именно производить выбор ПЛИС...