Предисловие
Планирую написать ряд статей, про внутреннее устройство ПЛИС и их программирование. В данном сообщении я планирую дать направление читателю, что нужно прочитать для того, чтобы начать разрабатывать для ПЛИС.
Современные тенденции
К сожалению, а может быть и к счастью (в зависимости как на это посмотреть) разработка современной электроники, особенно цифровой, но не только сводится к описанию цифровых функций и автоматов сводится к описанию их на основе одного из HDL (Hardware Description Language) -языков описания аппаратуры. На данный момент, существуют следующие языки описания аппаратуры: AHDL, VHDL, Verilog и System Verilog. Сами ПЛИС (CPLD, FPGA) представляют собой квадратные матрицы ячеек (состоящих из сотен - тысяч, в зависимости от ресурсов ПЛИС, логических элементов), к этим ячейкам подходят магистрали источников синхросигналов (клоков) и линий питания (+5 или +3,3 В) и земли. К слову говоря, современные ПЛИС (7 серия от Xilinx, 5 поколение Cyclone и т.п.) - это SoC в которых кроме, самой ПЛИС присутствует процессорное ядро и аппаратная поддержка различных интерфейсов таких, как : USB, Ethernet, CAN, SPI, I2C, RS232 и др.
Три кита разработки цифровых устройств с использованием ПЛИС (FPGA)
1. Основа всего это алгебра логики (булева алгебра) и способы построения простых цифровых схем и автоматов с использованием алгебры логики.
2. Схемотехника входных и выходных каскадов логических элементов (для понимания, что такое высокоимпедансное Z-состояние, нагрузочные характеристики элементов, схемы с открытым коллектором).
3. И, конечно, 3 этап это способы построения простых цифровых схем с использованием языков описания аппаратуры.
Алгебра логики
Основными в алгебре логики являются следующие вещи:
1) Принцип двойственности
2) Теорема Де-Моргана
Эти два принципа можно посмотреть, например, здесь: https://studme.org/2002061028280/tovarovedenie/algebra_logiki . Позже сам напишу про алгебру логики.
Так же следует упомянуть про способы представления (алгебраическое, табличное и в виде карт/диаграм Карно и Вена) и минимизации логических функций через карты Карно или другие методы, например, метод Мак-Класки (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9A%D1%83%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D0%B0_%E2%80%94_%D0%9C%D0%B0%D0%BA-%D0%9A%D0%BB%D0%B0%D1%81%D0%BA%D0%B8).
Одна неплохая презентация про алгебру логики: https://drive.google.com/file/d/0B9GLCHSwsJn8cURyT3BOUEVxdVE/view?usp=sharing
После понимания математических основ цифровой электроники нужно двигаться к способам реализации простых цифровых схем клмбинационной логики (логики не зависящей от состояния схемы):
- мультиплексоры
- дешифраторы
- преобразователи кода
- и другие схемы.
Вот, например, https://drive.google.com/open?id=0B9GLCHSwsJn8NmxtTVNUOVZZbWs
Следующий шаг - изучение последовательностных схем (схемы зависящие от состояния и сигналов на входе схемы). Такими схемами являются:
-триггеры
-счетчики
-регистры
-генераторы
и др.
Например, https://distant.msu.ru/pluginfile.php/38192/mod_resource/content/1/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F%204.pdf
или
https://drive.google.com/open?id=0B9GLCHSwsJn8YkJZeGtVZzZ4LTQ
а также ознакомиться с описанием цифровых автоматов (которых, 2 основных вида: Мили и Мура (https://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=%D0%90%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D1%8B_%D0%9C%D1%83%D1%80%D0%B0_%D0%B8_%D0%9C%D0%B8%D0%BB%D0%B8)
Схемотехника логических элементов
Данный раздел в большей степени относится к разаботке цифровых устройств с использованием дискретных микросхем, однако, в ряде моментов при проектировании с использованием ПЛИС эти знания также оказываются необходимыми
Прежде всего схемотехника зависит от типа логики: ТТЛ (ТТЛШ), КМОП и ЭСЛ: http://www.inp.nsk.su/students/radio/lectures/Pulse/07.pdf
Параметры логических элементов:
http://myrepititor.ru/electronics/82-Osnovnye_xarakteristiki_i_parametry_logicheskix_eleme.html
http://audioakustika.ru/node/1555
Языки HDL, способы проектирования
У меня довольно большаыя подборка книг по ПЛИС: https://drive.google.com/open?id=0B9GLCHSwsJn8Z0Y3U24ybmxjVjA
Если использовать Verilog, то стоить начать с Verilog и VerilogTutorial, если VHDL - то "Языки Verilog и VHDL", кроме того среди этого архива есть документ с "Золотыми ссылками по HDL".
Что будет в продолжении?
В будущем планирую пройтись по каждому из этих пунктов и написать цикл статей с примерами дизайна цифровых схем (на github).
Планирую написать ряд статей, про внутреннее устройство ПЛИС и их программирование. В данном сообщении я планирую дать направление читателю, что нужно прочитать для того, чтобы начать разрабатывать для ПЛИС.
Современные тенденции
К сожалению, а может быть и к счастью (в зависимости как на это посмотреть) разработка современной электроники, особенно цифровой, но не только сводится к описанию цифровых функций и автоматов сводится к описанию их на основе одного из HDL (Hardware Description Language) -языков описания аппаратуры. На данный момент, существуют следующие языки описания аппаратуры: AHDL, VHDL, Verilog и System Verilog. Сами ПЛИС (CPLD, FPGA) представляют собой квадратные матрицы ячеек (состоящих из сотен - тысяч, в зависимости от ресурсов ПЛИС, логических элементов), к этим ячейкам подходят магистрали источников синхросигналов (клоков) и линий питания (+5 или +3,3 В) и земли. К слову говоря, современные ПЛИС (7 серия от Xilinx, 5 поколение Cyclone и т.п.) - это SoC в которых кроме, самой ПЛИС присутствует процессорное ядро и аппаратная поддержка различных интерфейсов таких, как : USB, Ethernet, CAN, SPI, I2C, RS232 и др.
Три кита разработки цифровых устройств с использованием ПЛИС (FPGA)
1. Основа всего это алгебра логики (булева алгебра) и способы построения простых цифровых схем и автоматов с использованием алгебры логики.
2. Схемотехника входных и выходных каскадов логических элементов (для понимания, что такое высокоимпедансное Z-состояние, нагрузочные характеристики элементов, схемы с открытым коллектором).
3. И, конечно, 3 этап это способы построения простых цифровых схем с использованием языков описания аппаратуры.
Алгебра логики
Основными в алгебре логики являются следующие вещи:
1) Принцип двойственности
2) Теорема Де-Моргана
Эти два принципа можно посмотреть, например, здесь: https://studme.org/2002061028280/tovarovedenie/algebra_logiki . Позже сам напишу про алгебру логики.
Так же следует упомянуть про способы представления (алгебраическое, табличное и в виде карт/диаграм Карно и Вена) и минимизации логических функций через карты Карно или другие методы, например, метод Мак-Класки (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%9A%D1%83%D0%B0%D0%B9%D0%BD%D0%B0_%E2%80%94_%D0%9C%D0%B0%D0%BA-%D0%9A%D0%BB%D0%B0%D1%81%D0%BA%D0%B8).
Одна неплохая презентация про алгебру логики: https://drive.google.com/file/d/0B9GLCHSwsJn8cURyT3BOUEVxdVE/view?usp=sharing
После понимания математических основ цифровой электроники нужно двигаться к способам реализации простых цифровых схем клмбинационной логики (логики не зависящей от состояния схемы):
- мультиплексоры
- дешифраторы
- преобразователи кода
- и другие схемы.
Вот, например, https://drive.google.com/open?id=0B9GLCHSwsJn8NmxtTVNUOVZZbWs
Следующий шаг - изучение последовательностных схем (схемы зависящие от состояния и сигналов на входе схемы). Такими схемами являются:
-триггеры
-счетчики
-регистры
-генераторы
и др.
Например, https://distant.msu.ru/pluginfile.php/38192/mod_resource/content/1/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F%204.pdf
или
https://drive.google.com/open?id=0B9GLCHSwsJn8YkJZeGtVZzZ4LTQ
а также ознакомиться с описанием цифровых автоматов (которых, 2 основных вида: Мили и Мура (https://neerc.ifmo.ru/wiki/index.php?title=%D0%90%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%82%D1%8B_%D0%9C%D1%83%D1%80%D0%B0_%D0%B8_%D0%9C%D0%B8%D0%BB%D0%B8)
Схемотехника логических элементов
Данный раздел в большей степени относится к разаботке цифровых устройств с использованием дискретных микросхем, однако, в ряде моментов при проектировании с использованием ПЛИС эти знания также оказываются необходимыми
Прежде всего схемотехника зависит от типа логики: ТТЛ (ТТЛШ), КМОП и ЭСЛ: http://www.inp.nsk.su/students/radio/lectures/Pulse/07.pdf
Параметры логических элементов:
http://myrepititor.ru/electronics/82-Osnovnye_xarakteristiki_i_parametry_logicheskix_eleme.html
http://audioakustika.ru/node/1555
Языки HDL, способы проектирования
У меня довольно большаыя подборка книг по ПЛИС: https://drive.google.com/open?id=0B9GLCHSwsJn8Z0Y3U24ybmxjVjA
Если использовать Verilog, то стоить начать с Verilog и VerilogTutorial, если VHDL - то "Языки Verilog и VHDL", кроме того среди этого архива есть документ с "Золотыми ссылками по HDL".
Что будет в продолжении?
В будущем планирую пройтись по каждому из этих пунктов и написать цикл статей с примерами дизайна цифровых схем (на github).
