Программируемые логические элементы. Процессоры с перенастраиваемой логикой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВО

Тверской государственный технический университет

Реферат

на тему: Программируемые логические элементы. Процессоры с перенастраиваемой логикой

Выполнил:

студент 4 курса ЗФ ЭС

Голубев. А.

Проверил:

Корнеев. К.Б.

Тверь 2013



Содержание

Введение

1. Программируемый логический контроллер. Его применение. Типы контроллеров

2. Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС)

2.1 Современные ПЛИС

Заключение

Список литературы



Введение

программируемый логический технология

Целью данного реферата является ознакомление с существующими на сегодняшний день технологиями программируемых логических схем (элементов), а так же понимания принципов работы процессоров с перенастраиваемой логикой. Рассмотрим применение программируемых логических контроллеров, их модификаций и назначений.Применение программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Последние два-три года производители больших вентильных матриц (ПЛИС) стали рекламировать свои изделия в качестве альтернативы классическим процессорам цифровой обработки сигналов (ЦПОС). Появились целые библиотеки стандартных узлов ЦПОС, например, цифровые фильтры, пригодные для встраивания в общий проект на базе ПЛИС. Это связано с тем, что на основе ПЛИС можно строить высокопроизводительные системы параллельной обработки информации. Различают два основных способа реализации микропрограммного управления. Один базируется на жесткой (схемной) логике, другой использует программируемую логику.

В случае жесткой логики микропрограммы интерпретации команд реализуются аппаратно соответствующими логическими схемами управляющего автомата. При этом можно достичь максимального быстродействия процессора, но столкнуться с проблемой экономической целесообразности разработки такого проекта из-за недостаточной его универсальности, а значит малой тиражируемости.

Принцип программируемой логики предполагает хранение кодовых комбинаций микропрограмм в специальной управляющей памяти и последовательное извлечение их для выдачи такт за тактом управляющих сигналов в операционный автомат при выполнении команды. Каждой команде соответствует своя микропрограмма в управляющей памяти. При выборке очередной команды из оперативной памяти по ее коду находится соответствующая микропрограмма в управляющей памяти, которая выполняется путем последовательного считывания кодовых комбинаций микрокоманд и подачей сигналов управления на операционный автомат. Первое поле (слева направо) формата содержит адрес следующей микрокоманды в случае безусловного перехода (адрес первой микрокоманды микропрограммы в управляющей памяти равен значению кода выполняемой операции). Второе поле отводится под биты, определяющие условия перехода к следующей микрокоманде в зависимости от признаков результатов, вырабатываемых операционным автоматом. В третьем поле размещаются управляющие сигналы, активизирующие операционный автомат на выполнение микрокоманды.

Использование принципа программируемой логики обеспечивает возможность переориентации процессора на новый состав команд и более совершенные алгоритмы их интерпретации путем замены адреса.



1. Программируемый логический контроллер

Программируемый логический контроллер (с англ. -- Programmable Logic Controller, PLC) представляет собой электронный элемент промышленного контроллера, устройство, которое способствует автоматизации технического процесса.

Особенности PLC:

- программируемые контроллеры применяются в автоматизированных процессах промышленного производства;

- PLC созданы для работы с машинами, т. е. имеют аппарат ввода-вывода сигналов механизмов исполнения и датчиков, что преимущественно отличает контроллеры от компьютеров, которые ориентированы на человека.

- PLC -- это не встраиваемые, а самостоятельные элементы, изготавливаемые отдельно от управляемого им оборудования.

Программируемые логические контроллеры (PLC) разработаны, прежде всего, как замена релейно-контактных схем управления, которые собираются из отдельных компонентов (таймеров, счетчиков, реле). Все алгоритмы PLC реализованы с помощью программ -- это и является главным отличием такого контроллера от релейных схем управления. Примечательно, что надежность работы схемы PLC совершенно не зависит от степени ее сложности. Удобство заключается в том, что одним таким устройством можно заменить столько элементов релейной автоматической системы, сколько необходимо. Это уменьшает до минимума затраты на тиражирование системы, на эксплуатацию и обслуживание, а также увеличивает ее надежность.

PLC способен управлять преобразователями частоты, клапанами и другими всевозможными устройствами, а кроме того обрабатывать входные сигналы.В настоящее время программируемые логические контроллеры являются обязательным элементом любой системы автоматизации производства и управления технологическим процессом. PLC широко используются как в простых системах, так и в сложных. Функциональный набор систем разнообразен. Они преобразуют данные, принимают и обрабатывают сигналы, предоставляют входные и выходные интерфейсы, осуществляют обмен информацией, используя различные протоколы, и многое другое.

Центральный блок PLC представляет собой непосредственно сам контроллер, который оснащается необходимыми функциональными компонентами, он выполняет определенную задачу, на которую запрограммирован.

Важно, что базовый модуль PLC является гибким элементом, это позволяет конфигурировать его в зависимости от требований всевозможных предприятий. Цифровые или аналоговые входные сигналы, поступающие от датчиков, оборудования или генерирующиеся в результате технологических процессов -- это напряжения или токи. PLC с точностью интерпретирует и конвертирует эти входные сигналы, которые впоследствии передаются в ЦПУ, формирующий команды выходным системам, а они в свою очередь управляют исполнительными устройствами.

Стандартно PLC классифицируется по количеству входов и выходов, которые присоединяются к контроллеру.

Программируемые логические контроллеры делятся на:

- наноконтроллеры (до 15 - 20 входов-выходов);

- малые контроллеры (до 100 входов-выходов);

- средние контроллеры (100 - 300 входов-выходов);

- большие контроллеры (300 - 2 000 входов-выходов);

- сверхбольшие (более 2 000 входов - выходов).

При разработке системы управления, помимо количества входов и выходов, учитывается также объем разных видов памяти PLC, его быстродействие, а также количество сетевых интерфейсов.

Серия ALPHA (рис.1).устраняет пробел между отдельными компонентами (реле, таймеры и т.п.) и компактными контроллерами, которые слишком велики для некоторых применений. Данный контроллер отличает высокая функциональность, надежность и гибкость при умеренной стоимости.

Рис. 1

- Встроенный дисплей 4 строки 12 символов.

- 8 кнопок для управления и программирования.

- До 8-ми аналоговых входов (0-10В, разрешение 9 бит).

- Диапазон рабочих температур -25...+55°C

- Подключение счетчика импульсов 2х1кГц, 4 дополнительных входа/выхода,2 аналоговых выхода, преобразователь с термодатчика, AS-интерфейс, GSM модем

- Программа хранится в EEPROM.

- Встроенный календарь и часы реального времени.

- Монтаж на DIN-рейку или винтами.

- Программирование с помощью встроенного дисплея и кнопок.

- Простое программирование и эмуляция работы схемы на ПК в программе AL-PCS/WIN-EU.

Благодаря своим небольшим размерам и низкой стоимости компактные контроллеры FX открыли новые перспективы в автоматизации производства. Множество прикладных задач, для которых когда-то автоматизация была недоступна, теперь можно легко решить, воспользовавшись преимуществами, предоставляемыми этими контроллерами.

Рис. 2

Основные особенности серии FX1N:

- От 14 до 128 каналов ввода/вывода

- Высокая скорость обработки (до 0,55 мкс на одну логическую операцию)

- Объем программы (8000 шагов) и области операндов

- Встроенное регулирование позиционированием

- Обширный выбор специальных модулей расширения для индивидуальных требований

- Встроенное ПИД-регулирование

- Возможность подключения к открытым сетям

- Встроенные часы

- Удобное программирование в среде Microsoft Windows

- Обработка аналоговых сигналов при использовании дополнительных адаптеров расширения

Производственные процессы и стандарты качества становятся все более сложными и требуются промышленные системы автоматизации, способные обеспечить контроль за возрастающим количеством подробной информации о производстве, процессах и промышленных установках. В составе различных серий имеются текстовые панели управления, графические панели управления, панели управления с функциональными клавишами или сенсорным экраном.

Рис. 3

Серия GOT - это предел качества и мощности в управлении. Впечатляющий набор функций и простая сенсорная панель дают каждому пользователю то, что ему надо и то, что он ожидает.

Основные свойства:

- Полностью графическое управление панелью

- Ввод через сенсорный экран и/или с помощью обычной клавиатуры

- Аналоговое отображение технологических параметров

- Обработка рецептов

- Функция диагностики программируемого контроллера

- Имеются как драйверы для всех программируемых контроллеров

- MELSEC так и драйверы других изготовителей

Серия E - эталон удачного промышленного дизайна. Mitsubishi Electric разработала новый модельный ряд E1000 и расширила эту серию пятью новыми панелями в верхнем диапазоне модельного ряда. Панели серии E1000 поддерживают все стандарты Mitsubishi Electric и обширные возможности работы в сети, в том числе через Интернет и рассылку SMS. А также такие свойства как многоязыковая или двухдрайверная поддержка.

При разработке серии GOT1000 учитывались все современные пожелания пользователей, поэтому теперь работа программистов и обслуживающего персонала стала проще.

- Высокая разрешающая способность дисплея (до 65536 цветов) - даже для сложных изображений

- Интерфейс USB с передней стороны панели оператора

- карты памяти типа компакт-флэш для переноса и сохранения проектных данных

- Поддержка Unicode обеспечивает многоязычность проектов

Рис. 4



2. Программируемая логическая интегральная схема (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. Альтернативой ПЛИС являются: программируемые логические контроллеры (ПЛК), базовые матричные кристаллы (БМК), требующие заводского производственного процесса для программирования; ASIC -- специализированные заказные большие интегральные схемы(БИС), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже; специализированные компьютеры, процессоры (например, цифровой сигнальный процессор) или микроконтроллеры, которые из-за программного способа реализации алгоритмов в работе медленнее ПЛИС.

Некоторые производители ПЛИС предлагают программные процессоры для своих ПЛИС, которые могут быть модифицированы под конкретную задачу, а затем встроены в ПЛИС. Тем самым обеспечивается уменьшение места на печатной плате и упрощение проектирования самой ПЛИС, за счёт быстродействия.

Некоторые сферы применения ПЛИС

ПЛИС широко используется для построения различных по сложности и по возможностям цифровых устройств.

Это приложения, где необходимо большое количество портов ввода-вывода (бывают ПЛИС с более чем 1000 выводов («пинов»)), цифровая обработка сигнала (ЦОС), цифровая видеоаудиоаппаратура, высокоскоростная передача данных, криптография, проектирование и прототипирование ASIC, в качестве мостов (коммутаторов) между системами с различной логикой и напряжением питания, реализация нейрочипов, моделирование квантовых вычислений.

В современных периферийных и основных компьютерных устройствах платы расширения в системе Plug and Play имеют специальную микросхему -- ПЛИС, которая позволяет плате сообщать свой идентификатор и список требуемых и поддерживаемых ресурсов.

Специализированные полузаказные ИС на базовых матричных кристаллах (БМК), называемых за рубежом вентильными матрицами (Gate Arrays), безусловно, обладают рядом преимуществ. Основным из них является возможность создания на их основе самых различных микросхем при наличии развитых средств проектирования. Именно это, наряду с низкой стоимостью самих кристаллов, и обусловило широкое распространение БМК в 60-70 годы.

Однако весьма очевидны и недостатки матричных кристаллов. Прежде всего речь идет о значительных сроках и затратах на проектирование специализированных ИС на основе БМК. Эта негативная их особенность послужила предпосылкой для появления нового класса специализированных полузаказных микросхем (СПИС) - программируемых логических ИС (ПЛИС). В зарубежной литературе синонимом ПЛИС является аббревиатура PLD-programmable logic devices.

ПЛИС- это интегральные микросхемы, содержащие программируемую матрицу элементов логического И (конъюнкторов), программируемую или фиксируемую матрицу элементов логического ИЛИ (дизъюнкторов) и так называемые макроячейки (в зарубежной литературе-macrocells). Макроячейки, как правило, включают в себя триггер, тристабильный буфер и вентиль исключающее ИЛИ, управляющий уровнем активности сигнала. Размерность матриц и конфигурация макроячеек определяют степень интеграции и логическую мощность ПЛИС.

В сочетании с разнообразными обратными связями перечисленные элементы формируют завершенную автоматную структуру, ориентированную на реализацию как комбинационных (дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров), так и последовательностных схем (управляющих автоматов, контроллеров, счетчиков).

В ПЛИС заложены возможности, которые позволяют превратить ее в ИС с любой функцией цифровой логики. Проектирование сводится к выявлению программируемых элементов (перемычек или запоминающих ячеек), после удаления которых в структуре схемы остаются только те связи, которые необходимы для выполнения требуемых функций. На практике эта задача весьма непростая, так как современные ПЛИС содержат в среднем несколько десятков тысяч перемычек. Поэтому для проектирования обязательно применяют системы автоматизированного проектирования (САПР ПЛИС).

Благодаря наличию различных систем автоматизированного проектирования, а также структурным и технологическим особенностям, ПЛИС представляют технологию рекордно-короткого цикла разработки радиоэлектронной аппаратуры. Причем весь цикл проектирования и изготовления готового устройства осуществляется самим разработчиком, что значительно снижает стоимость РЭА по сравнению с использованием БМК.

Если за рубежом ПЛИС уже заняли заметное место в арсенале разработчика РЭА, то в России и странах СНГ эта технология только начинает по-настоящему развиваться. Отставание объясняется рядом причин. Во-первых, очень узка номенклатура ПЛИС на нашем рынке элементной базы. Во-вторых, практическая недоступность для наших специалистов современных зарубежных систем проектирования. В-третьих, недостаток информации в технической литературе о ПЛИС и методах работы с ними.

Нужно, однако, отметить, что в начале 90-х годов у нас стали наблюдаться некоторые реальные сдвиги в приминении ПЛИС на отдельных предприятиях. Этому в первую очередь способствовало появление отечественных ПЛИС для решения многих задач. Назовем, например, ПЛИС с плавкими перемычками по технологии ТТЛШ, производимые в НИИМЭ в Зеленограде. В их числе уже давно известные ПЛМ К556РТ1,К556РТ2,К556РТ21 и сравнительно недавн... о выпускаемые ИС КМ1556ХП4,КМ1556ХП6,КМ1556ХП8,КМ1556ХЛ8, являющиеся аналогами широко распространенных в мире ПЛИС семейства PAL.

Сыграл определенную роль и выход на отечественный рынок фирмы INTEL, представившей в числе своей продукции ПЛИС по технологии КМОП с УФ-стиранием. Наибольшую известность получили ПЛИС 85С060,85С090 и 85C22V10, считавшаяся в 80-х годах мировым промышленным стандартом на ПЛИС.

В каких же случаях целесообразно применять ПЛИС ?

Во-первых, при разработке оригинальной аппаратуры , а также для замены обычных ИС малой и средней степени интеграции. При этом значительно уменьшаются размеры устройства, снижается потребляемая мощность и повышается надежность.

Наиболее эффективно использование ПЛИС в изделиях, требующих нестандартных схемотехнических решений. В этих случаях ПЛИС даже средней степени интеграции (24 вывода) заменяет, как правило, до 10-15 обычных интегральных микросхем.

Другим критерием использования ПЛИС является потребность резко сократить сроки и затраты на проектирование, а также повысить возможность модификации и отладки аппаратуры. Поэтому ПЛИС широко применяется в стендовом оборудовании, на этапах разработки и производства опытной партии новых изделий, а также для эмуляции схем, подлежащих последующей реализации на другой элементной базе, в частности БМК.

Отдельная область применения ПЛИС - проектирование на их основе устройств для защиты программного обеспечения и аппаратуры от несанкционированного доступа и копирования. ПЛИС обладают такой технологической особенностью, как "бит секретности", после программирования которого схема становится недоступной для чтения (хотя свои функции ПЛИС, естественно, продолжает выполнять). Обычно применение одной-двух ПЛИС средней степени интеграции оказывается вполне достаточной для надежной защиты информации.

Наиболее широко прграммируемые логические ИС используются в микропроцессорной и вычислительной технике. На их основе разрабатываются контроллеры, адресные дешифраторы, логика обрамления микропроцессоров, формирователи управляющих сигналов и др. На ПЛИС часто изготавливают микропрограммные автоматы и другие специализированные устройства, например, цифровые фильтры, схемы обработки сигналов и изображения, процессоры быстрого преобразования функций Фурье и т.д. В технике связи ПЛИС применяются в аппаратуре уплотнения телефонных сигналов.

Применение ПЛИС становится актуальным еще и потому, что у разработчиков зачастую нет необходимых стандартных микросхем.

Программируемые вентильные матрицы

Другой тип архитектуры ПЛИС - программируемые вентильные матрицы (ПВМ), состоящие из логических блоков (ЛБ) и коммутирующих путей - программируемых матриц соединений. Логические блоки таких ПЛИС состоят из одного или нескольких относительно простых логических элементов, в основе которых лежит таблица перекодировки (ТП, Look-up table - LUT), программируемый мультиплексор, D-триггер, а также цепи управления.

2.1 Современные ПЛИС

Таких простых элементов может быть достаточно много, например, у современных ПЛИС ёмкостью до 1 млн. вентилей число логических элементов достигает нескольких десятков тысяч. За счёт такого большого числа логических элементов они содержат значительное число триггеров, а также некоторые семейства ПЛИС имеют встроенные реконфигурируемые модули памяти (РМП, embedded array block - EAB), что делает ПЛИС данной архитектуры весьма удобным средством реализации алгоритмов цифровой обработки сигналов, основными операциями в которых являются перемножение, умножение на константу, суммирование и задержка сигнала. Вместе с тем, возможности комбинационной части таких ПЛИС ограничены, поэтому совместно с ПВМ применяют ПКМБ (CPLD) для реализации управляющих и интерфейсных схем. В зарубежной литературе такие ПЛИС получили название Field Programmable Gate Array (FPGA). К FPGA (ПВМ) классу относятся ПЛИС XC2000, XC3000, XC4000, Spartan, Virtex фирмы XILINX; ACT1, ACT2 фирмы ACTEL, а также семейства FLEX8000 фирмы ALTERA, некоторые ПЛИС Atmel и Vantis.

Типичным примером FPGA ПЛИС могут служить микросхемы семейства Spartan фирмы XILINX

Множество конфигурируемых логических блоков ( Configurable Logic Blocks - CLBs) объединяются с помощью матрицы соединений. Характерными для FPGA-архитектур являются элементы ввода/вывода ( input/output blocks - IOBs), позволяющие реализовать двунаправленный ввод/вывод, третье состояние и т. п.

Особенностью современных ПЛИС является возможность тестирования узлов с помощью порта JTAG (B-scan), а также наличие внутреннего генератора (Osc) и схем управления последовательной конфигурацией.

Фирма Altera пошла по пути развития FPGA-архитектур и предложила в семействе FLEX10K так называемую двухуровневую архитектуру матрицы соединений. ЛЭ объединяются в группы - логические блоки (ЛБ). Внутри логических блоков ЛЭ соединяются посредством локальной программируемой матрицы соединений, позволяющей соединять любой ЛЭ с любым. Логические блоки связаны между собой и с элементами ввода/вывода посредством глобальной программируемой матрицы соединений (ГПМС). Локальная и глобальная матрицы соединений имеют непрерывную структуру - для каждого соединения выделяется непрерывный канал.

Дальнейшее развитие архитектур идёт по пути создания комбинированных архитектур, сочетающих удобство реализации алгоритмов ЦОС на базе таблиц перекодировок и реконфигурируемых модулей памяти, характерных для FPGA-структур и многоуровневых ПЛИС с удобством реализации цифровых автоматов на CPLD-архитектурах. Так, ПЛИС APEX20K фирмы Altera содержат в себе логические элементы всех перечисленных типов, что позволяет применять ПЛИС как основную элементную для "систем на кристалле" ( system-on-chip , SOC).

Особенности программирования ПЛИС.

В настоящее для "больших" время используются в основном две технологии для хранения информации о конфигурвции - статическое ОЗУ (SRAM) или электрически перепрограммируемое ПЗУ (EPRM или EEPROM или FLASH).

В любом случае создание файла конфигурации современных ПЛИС невозможно без автоматизированных систем проектирования. Такие системы выпускают как все ведущие производители ПЛИС (www.altera.com)ALTERA, (www.xilinx.com)XILINX, так и другие компании.

При работе в подобных системах конфигурация схемы, которая должна быть получена "внутри" ПЛИС или алгоритм ее работы задается либо на текстовом языке описаний (ADHL, VDHL или Verilog) напоминающем язык программирования высокого уровня (например Си), либо на графическом уровне - в виде электрической схемы (в форматах OrCAD или PCAD), либо при помощи блок-схем алгоритмов или графиков входных и выходных сигналов. В дальнейшем все этапы работы, включая программирование или загрузку ПЛИС выполняет автоиатизированная система.



Заключение

В данной работе были рассмотрены основные технологии программируемых логических элементов, дана их классификация и характеристики. Также рассмотрено устройство процессоров с перенастраиваемой логикой.

Приведены примеры логических контроллеров разных производителей, их применение в различных отраслях производств, в Электроэнергетике, Теплоэнергетике, Высокотехнологичных производствах ,требующих многоуровневую систему автоматизации процессов. Они зарекомендовали себя как надежный и более технологичный, многофункциональный, свободно перепрограммироваемый под любую конфигурацию оборудования, на вновь устанавливаемом оборудований и либо с добавлением каких либо узлов в дополнение к существующим, с изменением логики, алгоритмов.

Программируемые логические контроллеры (PLC) разработаны, прежде всего, как замена релейно-контактных схем управления, которые собираются из отдельных компонентов (таймеров, счетчиков, реле). Все алгоритмы PLC реализованы с помощью программ -- это и является главным отличием такого контроллера от релейных схем управления.

Примечательно, что надежность работы схемы PLC совершенно не зависит от степени ее сложности. Удобство заключается в том, что одним таким устройством можно заменить столько элементов релейной автоматической системы, сколько необходимо. Это уменьшает до минимума затраты на тиражирование системы, на эксплуатацию и обслуживание, а также увеличивает ее надежность.



Список литературы

1.Журнал:arcreview №4 от 2003 г

2. Сайт.ПроцессорыUNITY plc.ucoz.net/index/processory_unity/0-12

3. Электронный учебник de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?tutindex=25&index=43

Размещено на Allbest.ru

...