ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ НА ПЛИС И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ВО ВСТРАИВАЕМЫХ СИСТЕМАХ

Abstract

Большинство современных электронных устройств работает под управлением встраиваемых систем (embedded systems). Как правило, встраиваемая система представляет собой аппаратно-программный комплекс, специально разработанный для выполнения ограниченного набора функций или задач в рамках определенного контекста или приложения. Этот комплекс интегрирован в другие устройства или системы и обычно не предназначен для задач общего назначения.

Все современные комплексы встраиваемых систем можно разделить на 2 основных типа – микроконтроллерные встраиваемые системы и процессорные встраиваемые системы.

Микроконтроллерные системы предназначены для выполнения базовых операций управления, мониторинга и сбора данных. Они часто используются в бытовых и промышленных устройствах, таких как микроволновые печи, холодильники, промышленные метеостанции и т.д.

Процессорные системы применяются там, где возможностей микроконтроллеров недостаточно, в частности, в устройствах обработки видео (видеопроцессоры и аппаратные кодеки), в драйверах управления двигателями (здесь часто используются цифровые сигнальные процессоры, DSP), в ПЛК, мобильных устройствах, инженерных калькуляторах и т.п.

В ряде задач, выполняемых встраиваемыми системами, предъявляются повышенные требования к временным задержкам выполнения процедур обработки и генерации данных, а также жесткие требования к синхронизации параллельно работающих процессов. В микропроцессорных системах подобные задачи можно решить распределением программных компонентов на несколько потоков или процессов, а в микроконтроллерах эти вопросы частично решаются применением таймеров и компонентов внешнего тактирования. Тем не менее, решение задач синхронизации на микроконтроллерах ограничено ввиду малого количества таймеров, а задачи с высокими требованиями к скорости нередко трудновыполнимы, а бывает, и невозможны. Со стороны микропроцессоров же требуется поддержка либо аппаратной многопоточности, либо наличия операционной системы, способной поддерживать многопоточный код и распределять ресурсы процессора без потери производительности. Также внедрение готовых процессорных решений с поддержкой операционных систем сопряжено с усложнением архитектуры устройства и повышением стоимости, а также не всегда реализуемо с технической точки зрения.

В качестве компромиссного решения для обеспечения высокой скорости работы с данными за счет истинного параллелизма и гибких возможностей для настройки синхронизации компонентов могут выступать программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).