هدف از ارائه ی مطالب عنوان شده در دراین بخش آشنایی با سخت افزار های برنامه پذیر و نحوه ی استفاده از آنها در صنعت می باشد. امید است که بتوانیم نگرشی نو در دانشجویان رشته ی برق نسبت به قطعات الکترونیکی و مدارهای دیجیتالی ایجاد نماییم.
مقدمه
امروزه فن آوری ساخت مدارهای مجتمع پیشرفت چشمگیری کرده است. یکی از بخش های مهم این صنعت ساخت ابزارهای برنامه پذیر می باشد این ابزارها تراشه های همه منظوره ای هستند که می توانند جهت کاربردهای مختلف پیکره بندی شوند. تراشه های برنامه پذیر نقش بسیار مهمی در طراحی سخت افزارهای دیجیتالی ایفا می کند. تولید تراشه های برنامه پذیر با ظرفیت و سرعت بالا امکان پیاده سازی سییستم های بزرگ و سریع را در مدت کوتاه فراهم کرده است. از طرف دیگر وجود نرم افزارهای کارا در طراحی سخت افزار و پشتیبانی این نرم افزارها از زبان های توصیف سخت افزار (HDL) که مخفف (Hardware Description Language) می باشد و توانایی برنامه ریزی مدارات برنامه پذیر زمینه ساز رویکردی جدید در طراحی سیستم های دیجیتال شده است. در طراحی به روش مدرن، نوع و سطح نگرش طراح، استفاده از زبان توصیف سخت افزار، به کارگیری نرم افزارهای بهینه سازی، شبیه سازی و سنتز و استفاده از تراشه های برنامه پذیر از اهمیت خاصی برخوردار است. که در این قسمت هر یک از موارد و مفاهیم طراحی خودکار شرح داده می شود.
طراحی خودکار (Design Automation)
پیشرفت های اخیر فن آوری میکروالکترونیک امکان ساخت مدارات با میلیون ها دروازه منطقی را فراهم نموده است. روز به روز پیچیدگی طرح هایی که به صورت یک تراشه به بازار عرضه می شود افزوده می گردد. از طرفی با شیوع بیشتر استفاده از مدارات مجتمع به خصوص مدارات دیجیتال سطح تقاضا و توقعات در مورد کارایی، فشردگی، قیمت، قابلیت اطمینان و زمان عرضه به بازار بالا رفته است. طراحی سیستم های پیچیده در شرایط فوق کاری بسیار مشکل و ظریف است وانجام آن به روش دستی و سنتی غیرممکن می باشد. فرآیند طراحی مراحل مختلفی دارد که جز با استفاده از ابزارهای طراحی امکان پذیر نیست. بر این اساس نرم افزارهای CAD به عنوان ابزاری مناسب جهت مراحل مختلف طراحی به وجود آمده که می توان بخش اعظمی از عملیات طراحی را به کمک آنها انجام داد. طراحی به این روش را طراحی خودکار می نامند. به عبارت دیگر طراحی خودکار به معنی سپردن بخش هایی از مراحل طراحی به کامپیوتر می باشد. به طور ساده می توان گفت در این روش یک توصیف از طرح به یکی از زبان های توصیف سخت افزار (HDL) یا به صورت شماتیک توسط طراح ارائه می گردد و باقی مراحل طراحی را نرم افزار انجام می دهد. به طراحی خودکار، طراحی به کمک کامپیوتر Computer-Aided Design) CAD) و مهندسی به کمک کامپیوتر Computer-Aided Engineering) CAE) نیز گفته می شود.
نمونه اولیه (Prototype)
پس از طراحی نوبت به پیاده سازی نمونه اولیه می رسد. پیاده سازی نمونه ی اولیه به معنی تحقق یک طرح به صورت فیزیکی است که معمولاً به منظور آزمایش طرح و بررسی رفتار سیستم طراحی شده انجام می شود. در این مرحله بسته به کاربرد و نیازمندی های تعریف شده، نمونه اولیه از نظر صحت عملکرد، سرعت، توان مصرفی و غیره بررسی می شود. در صورت وجود هرگونه اشکال با بازنگری در طراحی و اعمال تغییرات، اشکالات احتمالی برطرف می گردد. نمونه ی اولیه می تواند با استفاده از قطعات استاندارد یا تراشه های برنامه پذیر ایجاد شود. استفاده از تراشه های برنامه پذیر علاوه بر اینکه سرعت ساخت نمونه اولیه را بالا می برد دارای انعطاف بیشتری نیز هست و اعمال تغییرات و آزمایش مجدد به آسانی و در مدت چند دقیقه قابل انجام است.
تولید
پس از انجام آزمایش های لازم روی نمونه اولیه و برطرف شدن اشکالات احتمالی طرح نهایی باید تولید شود. تولید به معنی ساخت سیستم طراحی شده به تعداد مورد نیاز می باشد و بسته به تعداد و شرایط وابسته به کاربرد، به شیوه های مختلف می تواند انجام شود. انواع روش ها در ذیل آمده است:
- با استفاده از قطعات استاندارد
- تمام سفارشی (Full custom)
- روش نیمه سفارشی (Semi custom)
- با استفاده از قطعات برنامه پذیر (مثل FPGA)
هر کدام از روش های فوق ویژگی های خاص خود را دارند قطعات استاندارد که به صورت آی سی در بازار وجود دارد مانند دروازه های منطقی و دیکدر، مالتی پلکسر، تمام جمع کننده، ثبات ها، فلیپ فلاپ ها و غیره در روش طراحی سنتی و به روش دستی استفاده می شود. مداراتی که به این روش ساخته می شوند معمولاً یک بورد چاپی با تعداد زیادی آی سی و دارای سیم کشی زیاد و توان مصرفی بالا می باشند و از طرفی به خاطر تعداد قطعات زیاد و هزینه بورد مدار چاپی و مونتاژ، دارای قیمت نسبتاً بالایی خواهند بود. به علت تعداد قطعات و حجم سیم کشی زیاد احتمال بروز انواع خرابی بیشتر بوده و در نتیجه تست و راه اندازی اولیه و تعمیر و پشتیبانی آن مشکل تر است. براین اساس استفاده از قطعات استاندارد برای طرح های کم حجم (با تعداد تراشه های کم) و تعداد تولید متوسط توصیه می گردد.
روش تمام سفارشی،در حقیقت سفارش آی سی است که معمولاً برای مدارات با تعداد تولید زیاد مقرون به صرفه است. این روش هزینه و زمان زیادی می برد. از زمانی که سفارش ساخت به شرکت سازنده آی سی داده می شود تا زمانی که قطعه آماده ی استفاده شود معمولاً فاصله زمانی بسیار طولانی است. برای ساخت نمونه ی اول هزینه فوق العاده ای باید صرف شود و فقط در صورتی که تعداد بسیار زیاد سفارش داده شود اقتصادی خواهد بود.
در روش نیمه سفارشی مراحل ساخت تراشه تا جایی ک مستقل از طرح نهایی است آماده می شود مرحله نهایی که سفارشی سازی نام دارد پس از مشخص شدن طرح انجام می گیرد. مزایای این روش زمان آماده سازی کمتر و قیمت مناسب تر می باشد. زمان کمتر به علت اینکه بخش اعظم کار قبل از سفارش طرح به کارخانه سازنده انجام شده و قیمت پایین تر به خاطر اینکه هزینه تولید تا قبل از سفارشی سازی به قیمت تولید انبوه محاسبه می گردد.
بهترین روش در طرح های متوسط و پیچیده استفاده از مدارات برنامه پذیر برای ساخت نمونه اولیه می باشد. تراشه های برنامه پذیر به علت همه منظوره بودن مصرف بالایی دارد به همین دلیل تعداد انبوه تولید می شود در نتیجه با قیمت مناسب به دست کاربر رسیده و به آسانی و از طریق یک interface ساده که به کامپیوتر شخصی متصل می شود برنامه ریزی می گردد. قیمت مناسب و کاربری آسان باعث شده استفاده از آنها در تولید طرح های با تعداد پایین مقرون به صرفه باشد.
ابزارهای طراحی به کمک کامپیوتر(CAD Tools)
طراحی به کمک کامپیوتر یک موضوع عام است. در کلیه رشته های مهندسی مطرح است. در اینجا منظور از CAD طراحی سخت افزار به کمک کامپیوتر است. ابزارهای CAD نقش مهمی در ساخت سریع نمونه اولیه دارند. آنها فرایند نگاشت توصیف طرح به واحدهای فیزیکی که طرح را پیاده سازی می کند را تسریع می کنند. با استفاده از این نرم افزارها می توان توصیف طرح را تغییر داد و با سرعت یک نمونه جدید به وجود آورده و آزمایش نمود و نتیجه را با نمونه قبلی مقایسه کرد. نرم افزارهای CAD امروزی دارای امکانات بسیاری هستند که عملیات طراحی را مکانیزه می کند از جمله این امکانات می توان به قابلیت دریافت طرح به صورت گرافیکی کامپایلر زبان های HDL، ابزارهای شبیه سازی، تحلیل زمانی، سنتز، بهینه سازی و برنامه ریزی (روی قطعات برنامه پذیر) می باشند. ابزارهای طراحی که به وسیله ی شرکت های سازنده تراشه های برنامه پذیر عرضه می شود ممکن است برای قطعات تولیدی خودشان بهینه شده باشند. البته نرم افزارهای عمومی نیز وجود دارد که برای قطعات بخصوصی بهینه نشده است. به هر حال انتخاب ابزار CAD از اهمیت زیادی برخوردار است. کیفیت، کارایی، قابلیت اطمینان، به روز بودن، مستندسازی و پشتیبانی از معیار های انتخاب یک ابزار طراحی مناسب است.
مدلسازی سخت افزار (Hardware Modeling)
مدل یک تجربه، تمثیل یا انتزاع از یک سیستم است که تا حد مورد نیاز خصوصیات آن را داشته باشد. در طراحی سخت افزار، طراح معمولاً یک مدل از طرح را در قالب معادلات یا عبارات ریاضی یا به وسیله ی یک زبان توصیف سخت افزار یا یک شکل گرافیکی (شماتیک) ایجاد می کند. مدلسازی در سطوح مختلف و یا نگرش های مختلف انجام می شود. بسته به اینکه بیان طرح تا چه حد جزئیات را در برداشته باشد یا اینکه کلی یا انتزاعی بیان شده باشد سطوح مختلف انتزاع وجود دارد. به طور کلی پنج سطح انتزاع و سه نگرش متفاوت وجود دارد که به توضیحی مختصر در رابطه با آنها پرداخته می شود.
این داستان ادامه دارد….
