Программируемая пользователем вентильная матрица

Программи́руемая по́льзователем ве́нтильная ма́трица (ППВМ, англ. Field-Programmable Gate Array, FPGA) — полупроводниковое устройство, которое может быть сконфигурировано производителем или разработчиком после изготовления; отсюда название: «программируемая пользователем». ППВМ программируются путём изменения логики работы принципиальной схемы, например с помощью исходного кода на языке проектирования (типа VHDL), на котором можно описать эту логику работы микросхемы. ППВМ является одной из архитектурных разновидностей программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

ППВМ могут быть модифицированы практически в любой момент в процессе их использования. Они состоят из конфигурируемых логических блоков, подобных переключателям с множеством входов и одним выходом (логические вентили или gates). В цифровых схемах такие переключатели реализуют базовые двоичные операции AND, NAND, OR, NOR и XOR. В большинстве современных микропроцессоров функции логических блоков фиксированы и не могут изменяться. Принципиальное отличие ППВМ состоит в том, что и функции блоков, и конфигурация соединений между ними могут меняться с помощью специальных сигналов, посылаемых схеме. В некоторых специализированных интегральных схемах (ASIC) используются логические матрицы, аналогичные ППВМ по строению, однако они конфигурируются один раз в процессе производства, в то время как ППВМ могут постоянно перепрограммироваться и менять топологию соединений в процессе использования. Однако такая гибкость требует существенного увеличения количества транзисторов микросхемы.

История

Отрасль ППВМ выросла из программируемых ПЗУ (ППЗУ) и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Оба эти типа устройств являются программируемыми, причём программирование может выполняться либо на заводе-изготовителе, либо пользователем, однако, программирование их работы состоит только в изменении связей между вентилями. Сооснователи Xilinx Росс Фримен и Бернард Вандершмит изобрели первую коммерчески пригодную ППВМ XC2064 в 1985 году. Эта микросхема, имеющая программируемые вентили и программируемые соединения между вентилями, положила начало новой технологии и новому рынку. Через 20 лет за это изобретение Росс Фримен был занесён в Национальный Зал славы изобретателей США.

Сама концепция программируемых вентильных матриц, логических вентилей и логических блоков запатентована Дэвидом Пейджем и Луверном Петерсоном в 1985 году. В 1990-х годах произошёл резкий скачок интереса к ППВМ, возросла их сложность и объёмы производства. Если в начале 1990-х годов ППВМ использовались в основном в области телекоммуникаций и сетей связи, то к концу десятилетия они нашли своё применение в потребительских товарах, в автомобильной промышленности и других отраслях.

Всплеск славы ППВМ произошёл в 1997 году, когда Адриан Томпсон объединил генетические алгоритмы и технологию ППВМ для создания устройства, способного отличать тоны частотой 1 КГц и 10 КГц. Генетические алгоритмы позволили с помощью вентильной матрицы размером 64 х 64 клеток на микросхеме фирмы Xilinx создать конфигурацию, необходимую для решения поставленной задачи.

Архитектура

ППВМ включают в себя три главных программируемых элемента: нескоммутированные программируемые логические блоки (ПЛБ), блоки ввода-вывода (БВВ) и внутренние связи. ПЛБ являются функциональными элементами для построения логики пользователя, БВВ обеспечивают связь между контактами корпуса и внутренними сигнальными линиями. Программируемые ресурсы внутренних связей обеспечивают управление путями соединения входов и выходов ПЛБ и блоков ввода-вывода на соответствующие сети. Все каналы трассировки имеют одинаковую ширину (одинаковое количество проводников). Большинство блоков БВВ вписываются либо в одну строку (по высоте), либо в один столбец (по ширине) массива вентилей.

Логический блок классической ППВМ состоит из таблицы истинности ^{(см.обсуждение)} (англ. lookup table, LUT) на 4 входа и триггера (см. рисунок ниже). В последние годы производители начали переходить на таблицы истинности с большим числом входов, что позволяет задействовать меньшее число логических блоков для типичных приложений.

Логический блок имеет таблицу истинности на 4 входа и вход синхронизации (clock). Выход блока только один, это может быть регистровая или нерегистровая выходная таблица истинности. Поскольку сигналы синхронизации в коммерческих ППВМ (а часто и другие сигналы, распараллеливающиеся на большое количество входов — high-fanout signals) трассируются особым образом специальными трассировочными цепями, управление этими сигналами делается отдельно.

Для приведённого примера архитектуры расположение контактов логического блока показано ниже.

Входы расположены на отдельных сторонах логического блока, выходной контакт может трассироваться в двух каналах: либо справа от блока, либо снизу. Выходные контакты каждого логического блока могут соединяться с трассировочными сегментами в смежных каналах. Аналогично, контактная площадка блока ввода-вывода (pad) может соединяться с трассировочным элементом в любом смежном канале. Например, верхняя контактная площадка чипа может соединяться с любым из W проводников (где W - ширина канала) в горизонтальном канале, расположенном непосредственно под ним.

Как правило, трассировка ППВМ несегментирована, то есть каждый сегмент проводника соединяет только один логический блок с переключательным блоком. Из-за огибания программируемых переключателей в переключательном блоке трассировка получается более длинной. Для увеличения скорости внутрисистемных соединений, в некоторых архитектурах ППВМ используются более длинные трассировочные соединения между логическими блоками.

В месте пересечения вертикальных и горизонтальных каналов создаются переключательные блоки. При такой архитектуре для каждого проводника, входящего в переключательный блок, существуют три программируемых переключателя, которые позволяют ему подключаться к трём другим проводникам в смежных сегментах канала. Модель или топология выключателей, используемая в этой архитектуре, является планарной или доменной топологией переключательных блоков. В этой топологии проводник трассы номер один подключается только к проводнику трассы номер один в смежных каналах, проводник трассы номер 2 подключается только к проводникам трассы номер 2 и так далее. На рисунке ниже показаны соединения в переключательном блоке.

Современные семейства ППВМ расширяют перечисленные выше возможности и включают встроенную функциональность высокого уровня. Имея эти общие функции, встроенные в кремний, можно сократить площадь кристалла, к тому же эти функции будут работать быстрее, чем если их создавать на базе примитивов. Примерами таких функций являются мультиплексоры, блоки цифровой обработки сигналов, встроенные процессоры, быстрая логика ввода-вывода и встроенная память.

ППВМ также широко применяются для систем проверки пригодности, в том числе в докремниевой и послекремниевой проверке пригодности, а также при разработке встроенных программ. Это позволяет компаниям-производителям интегральных схем проверять работоспособность своих устройств до изготовления их на заводе, сокращая время выхода изделия на рынок.

Производители

Основными производителями ППВМ являются:

• Xilinx
• Altera
• Actel

См. также

• Базовый матричный кристалл
• ПЛИС
• Матрица макроячеек
• ASIC
• Язык проектирования
• Язык описания аппаратуры
• VHDL
• Verilog
• SystemC

Ссылки

• [www.fpgacentral.com/docs/fpga-tutorial/history-programmable-logic History of the programmable logic]  (англ.)
• [www.osp.ru/cw/1997/36/23812/ Конфигурируемые процессоры]
• [www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv_i/99_03/stat-38.htm Методология высокоуровневого проектирования устройств на базе FPGA]
• [www.plis.ru/pic/pict/File/virtex_rus.pdf ПЛИС с архитектурой FPGA семейства Virtex]

Отрывок, характеризующий Программируемая пользователем вентильная матрица

– Иди, – сказал он, кивнув головой Алпатычу, и стал что то спрашивать у офицера. Жадные, испуганные, беспомощные взгляды обратились на Алпатыча, когда он вышел из кабинета губернатора. Невольно прислушиваясь теперь к близким и все усиливавшимся выстрелам, Алпатыч поспешил на постоялый двор. Бумага, которую дал губернатор Алпатычу, была следующая:
«Уверяю вас, что городу Смоленску не предстоит еще ни малейшей опасности, и невероятно, чтобы оный ею угрожаем был. Я с одной, а князь Багратион с другой стороны идем на соединение перед Смоленском, которое совершится 22 го числа, и обе армии совокупными силами станут оборонять соотечественников своих вверенной вам губернии, пока усилия их удалят от них врагов отечества или пока не истребится в храбрых их рядах до последнего воина. Вы видите из сего, что вы имеете совершенное право успокоить жителей Смоленска, ибо кто защищаем двумя столь храбрыми войсками, тот может быть уверен в победе их». (Предписание Барклая де Толли смоленскому гражданскому губернатору, барону Ашу, 1812 года.)
Народ беспокойно сновал по улицам.
Наложенные верхом возы с домашней посудой, стульями, шкафчиками то и дело выезжали из ворот домов и ехали по улицам. В соседнем доме Ферапонтова стояли повозки и, прощаясь, выли и приговаривали бабы. Дворняжка собака, лая, вертелась перед заложенными лошадьми.
Алпатыч более поспешным шагом, чем он ходил обыкновенно, вошел во двор и прямо пошел под сарай к своим лошадям и повозке. Кучер спал; он разбудил его, велел закладывать и вошел в сени. В хозяйской горнице слышался детский плач, надрывающиеся рыдания женщины и гневный, хриплый крик Ферапонтова. Кухарка, как испуганная курица, встрепыхалась в сенях, как только вошел Алпатыч.
– До смерти убил – хозяйку бил!.. Так бил, так волочил!..
– За что? – спросил Алпатыч.
– Ехать просилась. Дело женское! Увези ты, говорит, меня, не погуби ты меня с малыми детьми; народ, говорит, весь уехал, что, говорит, мы то? Как зачал бить. Так бил, так волочил!
Алпатыч как бы одобрительно кивнул головой на эти слова и, не желая более ничего знать, подошел к противоположной – хозяйской двери горницы, в которой оставались его покупки.
– Злодей ты, губитель, – прокричала в это время худая, бледная женщина с ребенком на руках и с сорванным с головы платком, вырываясь из дверей и сбегая по лестнице на двор. Ферапонтов вышел за ней и, увидав Алпатыча, оправил жилет, волосы, зевнул и вошел в горницу за Алпатычем.
– Аль уж ехать хочешь? – спросил он.
Не отвечая на вопрос и не оглядываясь на хозяина, перебирая свои покупки, Алпатыч спросил, сколько за постой следовало хозяину.
– Сочтем! Что ж, у губернатора был? – спросил Ферапонтов. – Какое решение вышло?
Алпатыч отвечал, что губернатор ничего решительно не сказал ему.
– По нашему делу разве увеземся? – сказал Ферапонтов. – Дай до Дорогобужа по семи рублей за подводу. И я говорю: креста на них нет! – сказал он.
– Селиванов, тот угодил в четверг, продал муку в армию по девяти рублей за куль. Что же, чай пить будете? – прибавил он. Пока закладывали лошадей, Алпатыч с Ферапонтовым напились чаю и разговорились о цене хлебов, об урожае и благоприятной погоде для уборки.
– Однако затихать стала, – сказал Ферапонтов, выпив три чашки чая и поднимаясь, – должно, наша взяла. Сказано, не пустят. Значит, сила… А намесь, сказывали, Матвей Иваныч Платов их в реку Марину загнал, тысяч осьмнадцать, что ли, в один день потопил.
Алпатыч собрал свои покупки, передал их вошедшему кучеру, расчелся с хозяином. В воротах прозвучал звук колес, копыт и бубенчиков выезжавшей кибиточки.
Было уже далеко за полдень; половина улицы была в тени, другая была ярко освещена солнцем. Алпатыч взглянул в окно и пошел к двери. Вдруг послышался странный звук дальнего свиста и удара, и вслед за тем раздался сливающийся гул пушечной пальбы, от которой задрожали стекла.
Алпатыч вышел на улицу; по улице пробежали два человека к мосту. С разных сторон слышались свисты, удары ядер и лопанье гранат, падавших в городе. Но звуки эти почти не слышны были и не обращали внимания жителей в сравнении с звуками пальбы, слышными за городом. Это было бомбардирование, которое в пятом часу приказал открыть Наполеон по городу, из ста тридцати орудий. Народ первое время не понимал значения этого бомбардирования.
Звуки падавших гранат и ядер возбуждали сначала только любопытство. Жена Ферапонтова, не перестававшая до этого выть под сараем, умолкла и с ребенком на руках вышла к воротам, молча приглядываясь к народу и прислушиваясь к звукам.
К воротам вышли кухарка и лавочник. Все с веселым любопытством старались увидать проносившиеся над их головами снаряды. Из за угла вышло несколько человек людей, оживленно разговаривая.
– То то сила! – говорил один. – И крышку и потолок так в щепки и разбило.
– Как свинья и землю то взрыло, – сказал другой. – Вот так важно, вот так подбодрил! – смеясь, сказал он. – Спасибо, отскочил, а то бы она тебя смазала.
Народ обратился к этим людям. Они приостановились и рассказывали, как подле самих их ядра попали в дом. Между тем другие снаряды, то с быстрым, мрачным свистом – ядра, то с приятным посвистыванием – гранаты, не переставали перелетать через головы народа; но ни один снаряд не падал близко, все переносило. Алпатыч садился в кибиточку. Хозяин стоял в воротах.
– Чего не видала! – крикнул он на кухарку, которая, с засученными рукавами, в красной юбке, раскачиваясь голыми локтями, подошла к углу послушать то, что рассказывали.
– Вот чуда то, – приговаривала она, но, услыхав голос хозяина, она вернулась, обдергивая подоткнутую юбку.
Опять, но очень близко этот раз, засвистело что то, как сверху вниз летящая птичка, блеснул огонь посередине улицы, выстрелило что то и застлало дымом улицу.
– Злодей, что ж ты это делаешь? – прокричал хозяин, подбегая к кухарке.
В то же мгновение с разных сторон жалобно завыли женщины, испуганно заплакал ребенок и молча столпился народ с бледными лицами около кухарки. Из этой толпы слышнее всех слышались стоны и приговоры кухарки:
– Ой о ох, голубчики мои! Голубчики мои белые! Не дайте умереть! Голубчики мои белые!..
Через пять минут никого не оставалось на улице. Кухарку с бедром, разбитым гранатным осколком, снесли в кухню. Алпатыч, его кучер, Ферапонтова жена с детьми, дворник сидели в подвале, прислушиваясь. Гул орудий, свист снарядов и жалостный стон кухарки, преобладавший над всеми звуками, не умолкали ни на мгновение. Хозяйка то укачивала и уговаривала ребенка, то жалостным шепотом спрашивала у всех входивших в подвал, где был ее хозяин, оставшийся на улице. Вошедший в подвал лавочник сказал ей, что хозяин пошел с народом в собор, где поднимали смоленскую чудотворную икону.
К сумеркам канонада стала стихать. Алпатыч вышел из подвала и остановился в дверях. Прежде ясное вечера нее небо все было застлано дымом. И сквозь этот дым странно светил молодой, высоко стоящий серп месяца. После замолкшего прежнего страшного гула орудий над городом казалась тишина, прерываемая только как бы распространенным по всему городу шелестом шагов, стонов, дальних криков и треска пожаров. Стоны кухарки теперь затихли. С двух сторон поднимались и расходились черные клубы дыма от пожаров. На улице не рядами, а как муравьи из разоренной кочки, в разных мундирах и в разных направлениях, проходили и пробегали солдаты. В глазах Алпатыча несколько из них забежали на двор Ферапонтова. Алпатыч вышел к воротам. Какой то полк, теснясь и спеша, запрудил улицу, идя назад.
– Сдают город, уезжайте, уезжайте, – сказал ему заметивший его фигуру офицер и тут же обратился с криком к солдатам:
– Я вам дам по дворам бегать! – крикнул он.
Алпатыч вернулся в избу и, кликнув кучера, велел ему выезжать. Вслед за Алпатычем и за кучером вышли и все домочадцы Ферапонтова. Увидав дым и даже огни пожаров, видневшиеся теперь в начинавшихся сумерках, бабы, до тех пор молчавшие, вдруг заголосили, глядя на пожары. Как бы вторя им, послышались такие же плачи на других концах улицы. Алпатыч с кучером трясущимися руками расправлял запутавшиеся вожжи и постромки лошадей под навесом.
Когда Алпатыч выезжал из ворот, он увидал, как в отпертой лавке Ферапонтова человек десять солдат с громким говором насыпали мешки и ранцы пшеничной мукой и подсолнухами. В то же время, возвращаясь с улицы в лавку, вошел Ферапонтов. Увидав солдат, он хотел крикнуть что то, но вдруг остановился и, схватившись за волоса, захохотал рыдающим хохотом.