Отладочная плата на плис своими руками

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 16.09.2024

Производством отладочных плат для СБИС ПЛ Altera занимается как Intel FPGA (бывш. Altera), так и ее многочисленные партнеры. Особое место среди них занимает тайваньская фирма Terasic - платиновый DSN-партнер (Design Solutions Network) Intel FPGA. Она производит качественные и недорогие отладочные платы для всех современных семейств СБИС ПЛ Altera. Номенклатура отладочных плат Terasic очень велика, поэтому любой разработчик сможет выбрать плату Terasic, подходящую для его задач. Кроме отладочных плат компания Terasic производит мезонинные платы расширения (daughter cards). Они позволяют реализовывать различные интерфейсы, обработку аналоговых сигналов, прием, обработку и отображение изображений и видео и многое другое. Платы расширения подключаются к отладочным платам, как правило, через стандартный разъем HSMC (High Speed Mezzanine Connector), в связи с чем они совместимы с платами других производителей, поддерживающих данный стандарт.
Все платы Terasic сопровождаются обширной документацией. С отладочными платами поставляются дистрибутивы, множество примеров проектирования, демонстарционных примеров и других материалов упрощающих процесс освоения платы и проектирования на ней. Компания Terasic предлагает ознакомиться с каталогом ее продукции.

Компания ЭФО является официальным дистрибьютором Terasic и рекомендует отладочные платы и платы расширения этой фирмы, как имеющие наилучшее соотношение цена/качество среди всех производителей в данной отрасли.

Разработка систем на базе ПЛИС не сводится только к проектированию непосредственно цифровой части в САПР ПЛИС. Важную роль играет и качество трассировки печатной платы, поскольку оно может существенно ухудшить характеристики проекта по сравнению с тем, что доступно ПЛИС. В данной статье изложены некоторые практические наблюдения и результаты сравнительных исследований различных подходов к совместной трассировке печатной платы и программируемых соединений внутри ПЛИС.

В качестве введения

Проектирование печатных плат для электронных устройств — достаточно обширная и сложная тема, где вряд ли можно дать сколько-нибудь исчерпывающие рекомендации. В течение последних лет существенные изменения произошли как в сфере персональных компьютеров, с помощью которых выполняется проектирование, так и в области электронных компонентов, чьи характеристики напрямую обусловливают требования к САПР печатных плат. Очевидно, что мощность современных компьютеров, используемых в качестве рабочих станций, многократно возросла по сравнению с платформами 5–10-летней давности. Однако и требования к печатным платам значительно изменились. Постоянно наблюдаются тенденции к установке компонентов поверхностного монтажа, корпусов типа BGA с большим количеством выводов (и вообще увеличение числа выводов компонентов), увеличению числа слоев печатной платы, уменьшению минимального размера печатных проводников и зазоров, а также диаметра отверстий. Электронные устройства становятся компактнее, повышается плотность монтажа компонентов, и печатные платы сами по себе становятся продуктом деятельности высококвалифицированных разработчиков. Вместе с тем потребность в самостоятельном проектировании печатных плат возникает и у специалистов смежных направлений, в том числе ориентирующихся на проектирование систем на базе ПЛИС.

Необходимость уделять внимание печатной плате при проектировании ПЛИС имеет достаточно серьезные основания. Устройства с фиксированной топологией кристалла (ASIC) обладают вполне определенной цоколевкой, и назначение их выводов строго определено. Можно ожидать взаимозаменяемости некоторых линий (например, портов ввода/вывода общего назначения в микроконтроллерах), но, как правило, соединение выводов микросхемы с другими компонентами печатной платы определяется схемой устройства, то есть строго фиксировано и принципиальным изменениям не подлежит. В этом случае разработчик печатной платы должен найти способ оптимального размещения компонентов и трассировки печатных проводников. Соответствующие цели ставятся и перед САПР печатных плат.

Проект на базе ПЛИС: что изменилось?

Отличается ли программируемая элементная база от других типов микросхем или же это отличие надуманно, и переход к новой версии САПР печатных плат автоматически изменит ситуацию к лучшему для всех типов изделий? Оптимизирует или ухудшит ситуацию использование ПЛИС? Постараемся рассмотреть особенности ПЛИС с точки зрения разработчика печатных плат. Прежде всего, сталкиваясь с ПЛИС впервые, разработчик будет поражен тем, что подавляющее большинство ее выводов взаимозаменяемо! После некоторых пробных проектов становится непонятно, является это достоинством или недостатком. С одной стороны, можно использовать возможности замены выводов, чтобы упростить топологию и избавиться от ряда переходных отверстий и перекрестных соединений. С другой — к огромному числу вариантов размещения компонентов и проведения линий добавилось и множество вариантов назначения выводов ПЛИС сигналам проекта! Разработчики печатных плат, ранее не имевшие опыта использования ПЛИС, крайне редко используют возможности замены выводов, ограничиваясь тем списком соединений, который передает им системный архитектор или проектировщик ПЛИС. Поэтому приходится сначала делать черновой вариант, проводить трассировку печатной платы, а затем окончательно создавать схему. При этом современные средства САПР должны обладать высокой степенью интеграции, чтобы данный процесс был автоматизирован (чего не наблюдается, например, у связки ISE+PCAD). Итогом подобной несогласованной работы может стать продукт, подобный показанному на рис. 1 (приведен фрагмент двухсторонней печатной платы, трассировка которой проведена в автоматическом режиме).

Хорошо видно, что на печатной плате имеется большое количество длинных линий и переходных отверстий, причем рабочая частота устройства оказалась существенно ниже, нежели позволяют примененные микросхемы.

На рис. 2 приведен фрагмент печатной платы аналогичной сложности, но при ее проектировании широко использовались возможности взаимозамены однотипных выводов и применялась ручная трассировка.

Отметим, что у представленной на рис. 2 печатной платы более короткие проводники, чем у печатной платы на рис. 1, а также меньшее количество переходных отверстий. Следовательно, частота устойчивой работы второго устройства выше, нежели первого, но удовлетворительным результат можно считать только после того, как будет проверено соответствие топологии печатной платы внутренней архитектуре ПЛИС.

Для ПЛИС среднего и большого размера можно использовать группировку сигналов управления вблизи управляемых ими шин данных. Такое решение (с учетом большей площади кристалла) позволит уменьшить задержку распространения управляющих сигналов до места их действительного применения. Кроме того, программируемые выводы ПЛИС объединяются в банки (обычно их 8), причем у различных банков может быть разное напряжение питания. Поэтому может оказаться необходимым размещение и линий данных, и линий управления в пределах одного банка.

Исходя из изложенного, можно понять, что к САПР печатных плат, способным дать хороший результат при работе с ПЛИС, предъявляются крайне высокие требования. Такие САПР должны не только использовать возможности ПЛИС по переназначению выводов, но и выполнять подобное назначение с учетом внутренней архитектуры устройства (для чего требуется информация о типе сигналов). Задержки, вносимые ПЛИС, необходимо сопоставлять с задержками, вносимыми внешними проводниками. Из этого следует, почему профессиональные САПР печатных плат, выполняющие совместный анализ печатной платы и установленной на ней ПЛИС (например, САПР компании Mentor Graphics), имеют весьма высокую стоимость. Рассмотрим, однако, какие результаты можно получить, выполнив лишь базовые рекомендации и пользуясь простейшими инструментами трассировки. На рис. 4 представлена печатная плата устройства, в котором цифровая обработка производится на ПЛИС Spartan-IIE XC2S200E фирмы Xilinx. Для указанной печатной платы в целом соблюдены изложенные выше рекомендации.

Данный проект выбран по той причине, что синтетические тесты, призванные выявить разницу между автоматическим назначением выводов и их ручной расстановкой, не дали убедительного ответа. Проект, реализующий корреляционную обработку и фильтрацию и управляемый софт-процессором, занимает 96% ресурсов ПЛИС и функционирует на максимальной тактовой частоте 13 МГц. Соответственно, он значительно нагружает алгоритмы трассировки ПЛИС, и влияние внешних цепей становится существенным. Компоновка печатной платы выполнена с учетом удобства и наименьшей длины сигнальных проводников, а также рекомендации Xilinx—входы расположены слева по отношению к матрице логических ячеек, выходы находятся справа. Проект представляет собой реальный пример сложного устройства, на характеристики которого могла бы существенно повлиять автоматическая расстановка выводов. Однако в режиме автоматической расстановки выводов (номера выбирались САПР ISE, а не задавались пользовательским файлом ограничений) тактовая частота проекта снизилась до 12 МГц! Этот пример наиболее наглядно показывает, что в настоящий момент автоматическое назначение выводов ПЛИС штатными средствами САПР не получило удовлетворительного решения, и вмешательство разработчика, следующего определенным рекомендациям, вполне может улучшить характеристики проекта.

Некоторые сопутствующие вопросы

На печатной плате, показанной на рис. 4, можно выделить две части — аналоговую и цифровую. В левой, аналоговой части находятся операционные усилители, вторичные источники питания и АЦП. Правая часть цифровая. В центре расположена FPGA Spartan-IIE, в нижней части ПЗУ для хранения коэффициентов фильтров, реализованных в ПЛИС. Печатная плата двухсторонняя. Нижний слой (зеленый цвет) почти целиком отведен под общий проводник. Такое расположение позволяет снизить уровень шума за счет уменьшения сопротивления общего проводника и повышения эффективности фильтрации помехи по цепям питания благодаря максимально близкому размещению фильтрующих емкостей к выводам компонентов (рис. 5).

На рис. 5 приведен фрагмент печатной платы, где изображен делитель напряжения на резисторах R6 и R7 с фильтрующей емкостью С59, расположенной в удобном месте по пути следования сигнала.

При построении устройств цифровой обработки сигналов всегда приходится решать вопрос с питанием аналоговой и цифровой части и с расположением общих проводников. На рис. 4 видно два полигона — левый с аналоговыми цепями, а правый с цифровыми. Оба полигона соединены перемычкой в верхней части. Такое расположение не позволяет протекать импульсным токам общего проводника цифровых цепей в аналоговых цепях. АЦП объединяет цифровую и аналоговую части, поэтому имеет два типа питания. На рис. 5 видны выводы 25 и 27 АЦП. Вывод 25 общий для аналоговой части, а 27— для цифровой. С целью уменьшения шумов каждый из них подключен к своему полигону.

На рис. 6 представлены два варианта аналоговой части одинаковых устройств. На рис. 6а видна неудачная трассировка цепи аналогового питания +5А (на рис. 4 на эту цепь указывает соответствующая стрелка). К нескольким микросхемам питание подводится последовательно, в результате уровень шумов по мере удаления от конденсатора С43 возрастал до 50 мВ. Замена последовательной разводки питающей цепи на параллельную позволила снизить уровень шума до 5 мВ.

Подводя итог, отметим, что при проектировании печатных плат необходимо соблюдать несколько основных правил:

по возможности избегать автоматического размещения компонентов и автотрассировки связей, а выполнять эти операции вручную;
широко использовать полигоны для общих выводов, при этом необходимо создавать отдельные полигоны для аналоговых и цифровых цепей, а также для цепей, питающих мощную нагрузку;
фильтрующие емкости располагать в непосредственной близости от входных цепей, для фильтрации которых они применяются;
при использовании ПЛИС FPGA фирмы Xilinx входные цепи располагать в левой части (по отношению к матрице логических ячеек), а выходные — в правой. Основное внимание следует обращать на минимизацию длины проводников и отсутствие перекрестных связей.

Приведенные материалы, разумеется, охватывают достаточно малый круг вопросов, возникающих при разработке печатных плат, предназначенных для устройств на базе ПЛИС. Цель авторов — показать, что такая сложная область, как совместная разработка конфигурации ПЛИС и печатной платы, все еще требует внимания квалифицированных разработчиков, которые могут существенно улучшить характеристики проекта, не полагаясь только на автоматизированные средства. Одновременно становится понятно, какие задачи должна решать профессиональная САПР печатных плат, призванная облегчить труд специалистов.

Свершилось! Что бы там не говорили про имортозамещение, но иногда оно работает. Микросхема, более загадочная и секретная чем процессоры семейства Эльбрус, доступна для покупки в составе отладочной платы:

И знаете что? Я уже хочу эту плату. И пусть за эту же цену можно купить 5 штук Марсоходов-3, которые в общей сложности будут более чем 25 раз превосходить по параметрам эту плату, но. чтобы понять о чём речь - представьте что в ваш проект прислал патч сам Линус Торвальдс.

А могли бы детям и пенсионерам отдать! =(

параметры соответствуют устаревшей модели от Altera

А она точно российская?

Скорее всего скомунижженый клон, как оно обычно бывает. Ну или где-то на барахолке купили схематику.
Не понимаю хайпа вокруг _отечественного_ чего-нибудь.

Еще интересно, в чем предполагается разрабатывать прошивки.

Я понимаю радость узких кругов - будет изделие с пятой приемкой, будет надежда, что его не снимут с производства. Но это всё должно радовать только узкие круги ограниченных людей.

Вы ожидаете что-либо другое кроме? Вот у alman случится то когнитивный диссонанс! ;)

Не понимаю хайпа вокруг _отечественного_ чего-нибудь.

Да мне просто любопытно. ИМХО, проблема (одна из) всех посконных разработок - отсутствие поддержки в САПР.

Судя по тому, что это клон Altera, то и тулзы наверно теже.

Для проектирования можно использовать САПР ф. Altera MAX+PLUS II или Quartus, а также Synplisity, Aldec и др.;

Мне почему-то казалось, что отечественных плисин разной степени протухлости существовало достаточно.

Нет, не понимаю.
Но при выборе железки, думается мне, следует руководствоваться не страной изготовления, а потребительскими качествами. I.e. если кому-то нужна плисина в защищенном исполнении(мельком глянул на фотки, могу ошибаться) и с ворохом сертификатов для особенного применения - милости просим. В остальных случаях я смысла в покупке такого продукта не вижу.

Но при выборе железки, думается мне, следует руководствоваться не страной изготовления, а потребительскими качествами.

Так от задачи зависит. Если ты покупаешь себе дома на коленке что-то слепить и, завтра, случись что, легко на другую перейти, то что делать тем же проектировщикам ракет и самолётов, которым нужно, чтобы чип был сертифицирован на весьма жёсткие условия, а завтра не попал под санкции или капризы изготовителя? Приходится ставить дорогое, кривое, но с гарантией.

А я себе домой, конечно, возьму, если понадобится, оригинальную Алтеру :)

что делать тем же проектировщикам ракет и самолётов, которым нужно, чтобы чип был сертифицирован на весьма жёсткие условия, а завтра не попал под санкции или капризы изготовителя? Приходится ставить дорогое, кривое, но с гарантией.

Проблема в том, что кроме сертификатов и бумаг, оно еще должно обладать некоторыми возможностями и, главное, работать.

В нормальных странах ты можешь купить за деньги ВСЁ. Ну кроме каких-нибудь очень страшных вещей типа атомной бомбы (ну и вообще оборот оружия регулируется так или иначе). А так ты полностью свободен. Твоя фантазия ограничивается лишь твоим кошельком.

Поэтому у них есть всякие интелы, эплы и прочие фирмы. Потому что:

1) Пара студентов может подкопить на какую-нить ПЛИС, одноплатник или ещё чего в этом роде и запилить мега-проект, который потом станет мега-корпорацией. Разумеется, эти студенты должны быть очень умными и удачливыми, но тем не менее это реальные истории некоторых компаний (попробовал бы Стив Джобс со своим другом собирать первые компьютеры Apple в СССР, где радиодетали можно было только спереть с завода).

2) Компании ориентируются на рынок, на потребителя. Подавляющее большинство российских высокотехнологичных компаний работают только с госзаказами. Где огромные деньги и малая конкуренция (особенно с учётом кумовства и откатов). Можно сделать процессор хоть за миллион рублей, зато получить побольше сертифиактов и его всё равно купят военные. А главные потребители подобных зарубежных компаний - простые люди и другие компании. И тут уже работает конкуренция. Если ты не будешь выпускать каждый год процессоры мощнее и дешевле, то отправишься на свалку истории. В итоге выигрывают все - люди получают суперкомпьютеры в кармане, самодельщики копеечные сенсоры, микроконтроллеры и т. п., ну а военные тоже получают более дешёвые технологии.

Соответственно, прецеденты, когда российская высокотехнологичная компания таки поворачивается передом к простым людям, должны таки радовать. Хотя я всё равно если захочу купить ПЛИС, то куплю Altera, а не это поделие. Ничего личного, просто бизнес. Пусть работают лучше.

KivApple ★★★★★ ( 25.02.16 00:03:51 )
Последнее исправление: KivApple 25.02.16 00:08:53 (всего исправлений: 3)

Читайте также: