8. Proqramlanan məntiqi inteqral sxemlər (PLİC) üzərində mikroprosessorlu sistemlərin qurulması

8. Proqramlanan məntiqi inteqral sxemlər (PLİC) üzərində mikroprosessorlu sistemlərin qurulması
PLİC (Programmable Logic Integrated Circuit)- lərin daxili strukturu ümumi halda çoxsaylı proqramlanan məntiqi bloklardan ibarət olur (şək.2.1). Bu blokların mürəkkəblik dərəcəsinə görə PLİC-lər xırda və iri modullu ola bilər.

Xırda modullu arxitekturda hər bir modul çox sadə funksiyaları yerinə yetirir və əsasən, əlaqələndirici məntiqi sxemlərin, bircinsli olmayan idarəedici strukturların gerçəkləşməsi üçün istifadə edilir. İri modullu arxitekturda hər bir məntiqi blok çoxsaylı məntiqi elementlərdən ibarət olur. Daha iri modul isə nisbətən mürəkkəb strukturlu alqoritmik elementlər (məsələn, siqnalların rəqəmli emalı prosessoru, yaxud MP) üzərində qurulur. Iri modullu arxitekturun elementləri müəyyən alqoritmik funksiyanı (məsələn, sürətli Furye çevrilməsini-SFÇ) yerinə yetirən sxem, yaxud ümumi təyinatlı MP kimi gerçəkləşdirilə bilər. PLIC- lərin tərkibinə inteqrə edilmiş bloklar (multipleksor, cəmləyici, yaddaş, MP nüvəsi) da müxtəlif tərkibli elementlərdən (ventillərdən) ibarət olur.

Xırda modullu PLİC-lər üçün blok daxilində və xaricində çoxsaylı əlaqələrin olması xarakterikdir. Orta və iri modullu PLİC-lərdə bu əlaqələrin sayı azdır. Əlaqələrin çox olması gecikmənin artmasına səbəb olur.

PLIC-lərin prinsipial sxemlərinin gerçəkləşdirilməsi və onlar üzərində sistemlərin yaradılması üçün müxtəlif kompüterli layihələndirmə vasitələrindən istifadə edilir. Bu vasitələr əsasən, PLIC-lərin proqramlaşdırılmasına, yəni onun daxilindəki elementlər (modullar, bloklar) arasında lazımi əlaqələrin yaradılmasına xidmət edir. Bunun üçün PLIC–nin yaradılacaq strukturuna əsasən kompüterdə konfiqurasiya edici fayl (KF) hasil edilir və PLIC daxilinə müxtəlif üsullarla yüklənir. Nəticədə proqramlanan qurğunun bütün imkanları PLIC daxilindəki konfiqurasiya edici xüsusi yaddaşın portlarında gerçəkləşdirilmiş olur.

Ümumi halda PLIC-nin proqramlaşdırılmasının əsas 2 texnologiyası mövcuddur:

• 
  əriyən birləşmələr əsasında;
  
• 
  əlaqələrin strukturunun dinamik dəyişdirilməsi əsasında.
  

Birinci texnologiyada qurğunun strukturu KF əsasında yalnız bir dəfə proqramlana bilər. Bu halda KF konfiqurasiya edici verilənlərdən ibarət olur ki, bunlar elementlər arasında əlaqələrin yaradılması üçün istifadə edilir.

İkinci texnologiyada konfiqurasiya edici yaddaşın məzmununa əsasən PLİC-nin strukturu dəfələrlə dəyişdirilə bilər. Bu prosesdə KF saxlanılması üçün statik RAM, yaxud FLASH (EEPROM) tipli yaddaş istifadə edilir.

Əgər KF-nın yadda saxlanılması üçün RAM istifadə edilirsə, onda KF konfiqurasiya edici bitlər axınından ibarət olur ki, onlar proqramlanan məntiqi elementlərin vəziyyətini təyin edir. Həmçinin KF konfiqurasiya edici əmrlərdən ibarət ola bilər ki, onlar konfiqurasiya verilənlərinin necə istifadə ediləcəyini müəyyən edir.

EEPROM, yaxud FLASH əsasındakı PLİC-qurğular RAM halında olduğu kimi proqramlanır, lakin enerji kəsildikdə KF saxlanılmış olur.

Statik RAM əsasında PLIC- texnologiyası. PLIC daxilindəki ventillərin birləşməsi konfiqurasiyasını yadda saxlamaq və dəfələrlə yenidən proqramlamaq üçün Statik RAM istifadə edilir. Bu texnologiyanın üstünlüyü:

• 
  yeni variantları cəld yoxlayıb gerçəkləşdirmək olur
  
• 
  yeni standartlara və protokollara uyğunlaşdırmaq asandır
  

RAM əsasında proqramlanan PLIC-lərin çatışmazlığı kimi aşağıdakıları göstərmək olar:

Sistem gərginlik şəbəkəsinə hər dəfə yenidən qoşulduqda PLIC-nin konfiqurasiya edilməsi təkrar olunmalıdır. Yenidən konfiqurasiya edilməsi üçün xarici yaddaş mikrosxemi istifadə edilməli, yaxud PLIC-nin daxilinə MP inteqrə edilməli olduğundan layihələndirilən sistemin dəyəri artır. Bundan əlavə gərginlik şəbəkəsinə yeni qoşulmuş belə PLIC-nın müəyyən standart funksiyanı (öz-özünü yoxlama, bütövlükdə sistemin testləşdirilməsi) yerinə yetirməsi üçün onun ilkin proqramlanması da vacibdir.

RAM əsasındakı PLIC-qurğularda intellektual mülkiyyətin (İP-İntelectual Properity) qorunması. RAM yaddaşı enerjidən asılı olduğundan bu halda PLIC-qurğunun proqramlanması üçün KF hər hansı formada xarici yaddaş mikrosxemində yadda saxlanılmalıdır. Hazırda KF-nın məzmununu oxuyaraq uyğun sxemin, yaxud həqiqilik cədvəlinin generasiyası üçün müxtəlif kommersiya vasitələri mövcuddur. Ümumi halda KF-nın dərk edilərək ondan məntiqin hasil edilməsi trival məsələ hesab edilmir. Lakin buna baxmayaraq İP-nin “sındırılması” istiqamətində çalışan kompaniya və mütəxəssislərin varlığını nəzərə alaraq RAM əsasında PLIC-lərdə İP-nin mühafizəsi aktual olaraq qalmaqdadır. Bu məqsədlə KF-da “bitlərlə axınlı şifrələmə”prinsipi dəstəklənir. Bu halda KF-nın axırıncı versiyası xarici yaddaş mikrosxeminə şifrələnmiş şəkildə yazılır. Şifrənin açarı isə PLIC-nin RAM oyuqları üzərində qurulmuş xüsusi registrə JTAG (Joint Test Action Group) portu vasitəsilə yüklənir. Qurğuya KF yüklənərkən bu açar KF –ni deşifrə edir.

KF-nın şifrələnmiş şəkildə yüklənməsi buradakı məlumatın oxunmasını qeyri-mümkün edir. Layihələndirmə prosesində şifrələnmiş KF –dən istifadə etmək olar. Xarici yaddaş mikrosxemindən istifadə edilməklə RAM texnologiyalı PLIC-qurğunun çatışmazlığından biri də odur ki, çap lövhəsi üzərində ehtiyat qida batareyası lazımdır ki, PLIC şəbəkə gərginliyindən açıldıqdan sonra şifrənin açarı olan registrin məzmunu yadda saxlanılsın.

Əriyən birləşmələr əsasında PLIC texnologiyası. Sistemin gərginlik şəbəkəsinə qoşulması halında proqramlanan RAM texnologiyalı PLIC-dən fərqli olaraq əriyən birləşmələr əsasında PLIC-qurğu proqrammator vasitəsilə proqramlanır və aşağıdakı xüsusiyyətlərə malikdir:

• 
  qida gərginliyindən açıldıqda PLIC-dəki KF silinmir, sistem işə qoşulduqdan dərhal sonra işə hazır olur
  
• 
  enerjidən asılı olmadığından PLIC-qurğu KF-nı yadda saxlamaq üçün xarici yaddaş mikrosxeminin olmasını tələb etmir. Nəticədə sistemin ümumi dəyəri azalır və çap lövhəsi üzərində az yer tutur.
  
• 
  PLIC daxilindəki birləşmələrin strukturu “sərt” olduğundan xarici radiasiya təsirlərinə məruz qalmır. Bu, hərbi və kosmik tətbiqlər üçün çox əhəmiyyətlidir. PLIC daxilindəki digər bütün triggerlərin radiasiya təsirindən qorunmaq üçün bu triggerlər 3-qat ehtiyat formasında yaradılır, yəni sistemdə hər bir registrin 3 nüsxəsi olmalıdır.
  
• 
  KF-i yükləyən proqrammator sistemin bir hissəsi olduğundan oradan KF oxuna bilər. Lakin bu proses iterativ olduğundan çox böyük zaman tələb edir. Çunki, proqrammator hər bir əriyən birləşməni proqramlaşdırdıqdan sonra onun düzgünlüyünü yoxlayaraq növbəti əriyən birləşməyə keçməlidir. Bundan əlavə, proqrammatorda qurğunun müvəffəqiyyətli proqramlanmasını yoxlayan xüsusi proqram avtomatik olaraq yerinə yetirilir. Odur ki, proqrammator vasitəsilə KF -nın operativ olaraq oxunması real deyildir.
  
• 
  PLIC-qurğu proqramlaşdırdıqdan sonra birləşmənin mühafizəsi üçün xüsusi birləşmələr proqramlaşdırılır.Yəni bu xüsusi birləşmənin vəziyyətindən asılı olaraq konfiqurasiyanın oxunması təhlükəsi aradan qaldırıla bilər.
  
• 
  PLIC-nin konfiqurasiyanı dəyişmək mümkün deyildir.
  

EEPROM və FLASH əsasında PLIC-qurğular. Bu halda PLIC-nin konfiqurasiya edici portları RAM texnologiyasında olduğu kimi sürüşdürücü registrə bənzər uzun zəncir təşkil edir. Bu qurğular sistemdən ayrılaraq proqrammator vasitəsilə proqramlaşdırılır. Proqramlaşdırıldıqdan sonra qurğudakı məlumatlar enerjidən asılı olmayacaqdır, yəni sistemə qida gərginliyi verilən kimi işə hazır olacaqdır. KF –nın mühafizəsinə gəldikdə, bu qurğularda “multibitli açar prinsipi“ (50bitdən bir neçə 100 bit) istifadə edilir. Qurğu proqramlaşdırdıqdan sonra oraya “şəxsi açar” daxil etmək olar.

FLASH əsasında PLİC RAM-a nisbətən daha az tranzistor tələb etdiyindən PLIC-qurğu daha kompakt və daxili birləşmələrdəki gecikmələr daha azdır.

FLASH və RAM əsasında hibrid PLIC-qurğular. Hər bir konfiqurasiya elementi FLASH oyuğu və onunla əlaqədar olan RAM oyuğundan ibarətdirsə, belə PLIC-qurğu “hibrid” adlanır. Bu halda FLASH elementlər əvvəlcədən proqramlanır, sistem işə qoşularkən FLASH- oyuqların məzmunu paralel olaraq RAM oyuqlarına köçürülür. Bu texnologiya əriyən birləşməli texnologiya kimi enerjidən asılı olmamaq xüsusiyyətinə malikdir və sistem gərginliyə qoşulan kimi işə hazır olur.