SHPORA.net :: PDA

Login:
регистрация

Main
FAQ

гуманитарные науки
естественные науки
математические науки
технические науки
Search:
Title: | Body:

UPS- Uninterruptible power supply


UPS (uninterruptible power supply) on patareidega kast, mis hoolitseb selle eest, et

arvutil pidevalt voolu oleks ning äkitsed pingekõikumised liiga ei teeks. Enamik

hetkelisi voolukatkestusi on sellised, millest arvutid omal jõul üle saavad, aga kord

paar aastas kipub ikka pahasti minema, st arvuti lülitatakse magusal tööajal korraks

välja.

UPS on mõeldud väikeste voolukatkestuste "üle elamiseks" ja kui UPSi akud on

lõplikult tühjaks saanud, ei suuda ka tema imet teha. UPSist peaks abi olema 10-15

minutit, mille jooksul jõutakse kõrvaldada enamus suuremaid voolukatkestusi

(keskmiselt kulub selleks 6-8 min.). Lühikatkestuste ajale on juurde arvestatud väike

varu, mis kulub andmete salvestamiseks, programmide sulgemiseks ja arvuti

väljalülitamiseks juhul, kui on tegu pikema voolukatkestusega. Lihtsalt kehva voolu

puhul (voolutõuked, krooniline alapinge jne.) piisab ka filtrist. Toitevoolu filtrid on

vajalikud eriti siis, kui arvutit kasutatakse suurte voolutarbijatega (võimsad

elektrimootorid, kompressorid, külmutusseadmed) ühise toiteliini pealt. UPSil on sees

ka äikesekaitse, mis vähendab seadmete kahjustamise riski. Kui UPS hakkab

koormust toitma akudelt, informeerib ta sellest kasutajat lühikeste piiksudega. Kui aga

akud on tühjenenud niivõrd, et energiat jätkub veel paariks minutiks, informeerib UPS

sellest pideva heliga, mida ei saa välja lülitada.

Kui kaitsta oma arvutit vooluvõrgu häirete eest UPSi või toitevoolu filtriga, jääb

arvuti "tagauks" modemi telefoniliini või arvutivõrgu kaudu avatuks. Selliste

"tagauste" vastu võitlemiseks on olemas filtrid, mis ühendatakse vastavalt arvuti ja

telefoniliini või võrgujuhtme vahele. Filtreid on olemas ka arvuti järjestikliidese

40

kaitseks.

Offline (offline UPS, standby power system (SPS))-tähendab UPSi, mis käivitub vaid

elektrikatkestuse või kehva pinge ajaks, muidu on ootereziimis.

line-interactive UPS: UPSiga kaasaolev seadeldis (power-transformer) kontrollib

voolukõikumisi, ning teatud tasemel rakendub tööle, tõstes- langetades sisse tulevat

pinget. Kui sellest ei piisa, siis lülitatakse sisse UPSi aku.

Online -Kui tavaline offline -UPS jälgib sissetulevat pinget ja selle liiga suure

kõikumise korral toite kiiresti patareidele ümber lülitab, või üritab kümmekonna voldi

võrra korrigeerida, siis online -UPS toodab kogu aeg ?puhast elektrit?, tehes alati

sissetulevast toitest akupinge ja sellest jälle 220V tagasi. Linnaoludes peaks tavaline

UPS piisav olema, suurte pinge- ja sageduskõikumistega oludes peaks see aga liiga

tihti akusid kasutama ning siis on vaja online- UPSi. Eriti maksab sellele mõelda siis,

kui ehitusplatsil teeb elektrit kesine diiselgeneraator või on 220V toidet vaja näiteks

mikrobussis.

Oniline UPSid pakuvad kõige kindlamat kaitset voolukatkestuste vastu, kuna nad

töötavad pidevalt. Kasutatakse eriti tähtsate süsteemide käigus hoidmiseks: server,

telefonisüsteem.

Standby ja line-interactive UPSid sobivad kaitsma arvuteid, kus andmete kadumine

ei põhjusta kriitilisi olukordi, pigem ebamugavusi. Seda tüüpi UPSid sobivad nt

(üksikute) arvutite või faksi töö tagamiseks.

Line-interactive UPSid sobivad töökohtadele, kus voolukõikumised on sagedased

nähtused (tingitud nt konditsioneeri sisse ja välja lülitamisest jne)

Soft-UPS ilma tarkvarata on ainult veerand UPSi. Tihti pole oluline mitte see, kui

kaua akud vastu peavad, vaid soft, mis töötavad programmid viisakalt suleb. UPS, mis

suudab tarkvaraliselt arvuti sulgeda, eeldab tavaliselt ka vaba serial või USB pordi

olemasolu.

Surge- juhul kui UPS tarbetu tundub, maksab igal juhul hoolitseda selle eest, et

kõikidesse seadmetesse minev toide kaitstaks äkiliste suurte pingehüpete eest nn.

surge-protector?i abil. Palju odavam, kui UPS, kud äärmiselt hea tormise ilmaga

meelerahu tagamiseks.

cold start- funktsioon, mis lubab aku sisse lülitada ka ilma toitepinge olemasoluta,

sisemise aku abil.

UPS täidab vahelduvvooluvõrgust toidetava arvuti elektritoitesüsteemis kahte olulist

ülesannet:

1. Kui vahelduvvooluvõrgus esinevad lühema- või pikemaajalised

elektrikatkestused, siis UPS tagab arvutile , tänu temas sisalduvale

energiasalvestile (akumulaatorpatareile), veel täiendavaks ajaks normaalse

elektritoite. Selle aja jooksul saab sulgeda nii töödeldavad tegumis, kui ka

sooritada kogu arvutisüsteemi korrektse sulgemise. Seeläbi välditakse

elektrikatkestusel arvutisüsteemis infokadusid.

2. UPS kaitseb arvuti elektronlülitusi vahelduvvooluvõrgus esinevate elektriliste

häiringute kahjustava toime eest. Isegi kui võrguhäired ei kahjusta otseselt

elektronlülitusi, võib arvutis nende toimel tekkida infomoonutusi või

suuremahulist infokadu.

41

Kui elektrikatkestused, vähemalt pikemaajalised on otseselt märgatavad, siis

enamik teisi vahelduvvooluvõrgus esinevaid häiringuid jääb enamasti tähele

panemata. Need avalduvad hiljem kaudsete, sageli mõistetamatute, ebameeldivate

ilmingutena. Teades arvuti elektritoitesüsteemi mõjutavate häirete tekkepõhjusi,

olemust ja tekitatavate kahjustuste iseloomu, on hõlpsam leida meetmeid neist

vabanemiseks.

Vaatamata UPS-ide laiale valikule on nende tööpõhimõtetes ja struktuurides

eristatavad teatavad tüüplahendused. Moodne UPS koosneb peamiselt järgmistest

osadest:

1. vahelduv- alalispingemuundur

(akulaadur) ? lülitus, mis muundab UPS-i sisendil võrgust saadava

vahelduvvoolu (vahelduvpinge) alalisvooluks (alalispingeks), et selle energiat

salvestada akumulaatorpatareisse. Muundur kõrvaldab ühtlasi vahelduvvoolus

esinevad impulsshäiringud ja ülepinged.

2. Alalis- vahelduvpingemuundur

(inverter)- lülitus, mis muundab patarei alalispinge taas ettenähtud

parameetritega vahelduvpingeks, millega toidetakse arvutit.

3. Akumulaatorpatarei

(patarei) ? teatud tüüpi akumulaatorelementidest koostatud energiasalvesti,

mida energiaga varustab akulaadur ning mille energiat kasutab inverter.

Enamiku patareide energiamahutavusest piisab, et toita arvutit 5- 15 minuti

jooksul. Mõnele UPS-ile saab külge ühendada veel täiendavaid patareisid

(seeläbi suureneb aeg, mille jooksul toidetakse arvutit UPS-i patareilt).

4. Kommutatsioonilülitused

? lülitused, mis korraldavad elektrienergia edastust UPS-i väljundile, kas

patareilt või läbi kaitselülituse otse vahelduvvooluvõrgust.

Kommutatsioonilülitused tagavad, et elektrikatkestusel vahelduvvooluvõrgus

lülitutakse võrgutoitelt automaatselt ümber patareitoitele.

Nn. ?arukates UPS-ides? (smart UPS) on sardmikrokontroller, mis reaalajas juhib

UPS-i energiamuundurite tööd, kontrollib sisendväljundpingete parameetreid ja

standardse liidese (tüüpiliselt RS- 232C) kaudu suhtleb personaalarvutiga. Viimases

hoitakse UPS-i tarkvara utiliite.

Tööpõhimõtete järgi jaotuvad UPS-id kolme

põhiliiki:

1. sidus-UPS (on-line UPS),

2. vallas-UPS (off-line UPS, standby UPS),

3. interaktiivne ehk aktiivne vallas-UPS (lineinteractive

UPS, active standby UPS)

42

Spetsiaalse riistvara

? Spetsiaalse riistvara realiseerimise võimalused.

Personaalarvuti universaalsus tuleneb põhimõtteliselt tema ehitusest. Kasutusvalmis

arvutit võib vaadata koosnevana kahest võrdväärsest osast − riistvarast ja tarkvarast.

Riistvara olemuse paremale mõistmisele oli pühendatud kogu käesolev kirjatöö.

Tarkvara jäi vaatluse alt välja.

Riistvara talitlus põhineb universaalsel protsessoril, mille tööd toetavad emaplaadil ja

keskseadmes asuvad komponendid ning sisend-väljundseadmed. Piltlikult öeldes

kujutab protsessor endast plastmassist karbikest, mis tekitab ühele elektrisignaalide

hulgale vastava teise elektrisignaalide hulga. See, missugune elektrisignaalide hulk

tekitatakse, sõltub kolmandast elektrisignaalide hulgast. Kogu arvuti riist- ja tarkvara

koostöö tulemusena vastab esimene elektrisignaalide hulk üheselt töödeldavatele

andmetele, teine töötluse tulemusele ja kolmas hulk töötlusprogrammile. Protsessori

universaalsus põhineb signaalide ja töötluse lihtsusel. Töötlusel tekkivate signaalide

kaks võimalikku olekut sõltuvad ainult esimese ja kolmanda signaalihulga signaalide

samasugustest olekutest. Töötlus ise seisneb vastavate signaalide olekute analüüsis ja

tulemusele vastava uue signaali tekitamises. Analüüs ise on üsna lihtne, veidi

keerulisemaks teeb asja ainult see, et neid analüüse tuleb teha suhteliselt palju ja

kiiresti.

Sisuliselt tagab universaalsuse asjaolu, et signaalitöötlust saab vaadata kui infotöötlust

− informatsiooni on võimalik teisendada ühest olekust teise ja töötlusseade on

paindlikult juhitav.

Arvuti universaalsus avaldub kolmes aspektis:

1) Programmi universaalsus: arvutile võib koostada lõpmatult programme, mida saab

käivitada praktiliselt piiramatu arvu kordi.

2) Andmete universaalsus: arvuti sisemine andmekuju on universaalne, andmeid saab

põhimõtteliselt alati töödelda.

3) Realisatsiooni universaalsus: arvuti kui standardne toode on samal kujul kasutatav

paljude erinevate ülesannete lahendamiseks mitmes eri kohas. Ühte ülesannet on

võimalik lahendada paljudel eri arvutitel.

Need kolm aspekti lubavad arvutit kasutada lõpmatu arvu ülesannete lahendamiseks.

Samal ajal on arvuti kasutamises terve rida kitsendusi, mis avalduvad nii igas aspektis

eraldi kui ka teatud ülesannete lahendamise võimalikkuses üldse. Üks piiranguid on

seotud sisend-väljundseadmete suhteliselt kitsa valikuga. Traditsioonilised sisendväljundseadmed

piirduvad informatsiooni muundamisega inimesele harjumuspäraselt

kujult arvuti sisekujule ja vastupidi. Sellega seoses osutub vajalikuks inimese osalus

ülesannete lahendamise juures. Siit leiame ka ühe vastuse sissejuhatuses esitatud

küsimusele arvuti kasutusvõimaluste laiendamise kohta − need oleksid märksa

avaramad suurema sisend-väljundseadmete valiku puhul. Arvuti lisaseadmete

43

komplekti määravad mitmed majanduslikud ja tehnilised asjaolud, seetõttu peatume

arvuti kasutamisel ebatraditsiooniliste ülesannete lahendamiseks vaid lühidalt.

Arvuti ebatraditsiooniliste kasutusviiside all mõeldakse mittetavapäraste

infotöötlusülesannete lahendamist tavalisel PC-arvutil. Tavapäraseks loeme ülesannet,

mis on sisestatav-väljastatav arvuti tavakomplekti kuuluvate sisendväljundseadmetega.

Mittetavapäraste ülesannete lahendamisel huvitab meid esmajoones ülesandega

seotud andmete ebatraditsiooniline sisestus-väljastus, sest ülesande

lahendusprogrammi sisestamiseks on mõttekas kasutada traditsioonilisi vahendeid.

Andmete veidi erinev sisestamine on uudne siiski ainult tavakasutajale, spetsialistid

tegelevad probleemiga juba personaalarvuti loomisest alates.

Ebatraditsioonilisi ülesandeid on arvutisobivuselt kahte liiki, kusjuures piir nende

vahele pole selgesti eristatav. Esimest liiki ülesannete puhul ei teki probleemi

informatsiooni teisendamisega (tavaliselt on tegemist arvutiga koostööks mõeldud

seadmetega). Lihtsamal juhul toimub andmevahetus niisuguste seadmetega arvuti

tavaliideste vahendusel. Keerukamal juhul, kui tavaliideseid pole piisavalt või ei sobi

kasutatav signaaliedastusviis, läheb vaja täiendavaid tehnilisi vahendeid.

Arvutipõhiste seadmete korral on ka see probleem tavaliselt lahendatud, näiteks

arvutisse asetatavate täiendavate liidesplaatide kuulumisega seadme komplekti.

Teist laadi ebatraditsiooniliste ülesannete puhul lisanduvad andmeedastusele ka

informatsiooni teisendamisega seotud probleemid. Reeglina kaasneb taoliste

ülesannetega täiendavate tehniliste vahendite vajadus. Lihtsamal juhul on võimalik

osta ja kasutada valmisseadmeid, keerukamal juhul tuleb need projekteerida ja

valmistada. Sagedamini läheb käiku segavariant.

Ebatraditsiooniliste ülesannete lahendamine on huvitav lisavõimalus PC

kasutamiseks, kuid tavakasutajate hulgas see laialt levinud ei ole. Põhjusi on mitmeid

− alates vajalikest lisateadmistest ja lõpetades sellega, et puuduvad lihtsad vahendid

niisuguseks tegevuseks. Hoopis enam ja sageli kasutajale märkamatult rakendatakse

niisuguste ülesannete lahendamisel spetsiaalset arvutustehnikat, millest teeme

põgusalt juttu järgmises jaotises.

o Programne realisatsioon

Olgu meil vaja realiseerida spetsiaalne digitaalne seade või protsessor mingiks

ülesandeks. Näiteks juhtida tööpinki, analüüsida mingi keemilise protsessi kulgu,

juhtida auto sissepritset ja süüdet, mobiiltelefonile protsessor jne. Millised on siin

realiseerimise võimalused. Esimene on programne realisatsioon. See tähendab, et me

ühendame näiteks paralleelpordi külge oma personaalarvutil juhitava seadme ning

kirjutame programmi juhtalgoritmi täitmiseks. Realisatsioon on programne selles

mõttes, et juhtalgoritm on realiseeritud arvuti mälus säilitatava programmina mida

protsessoris käskhaaval täidetakse.

Head omadused:

saab kasutada harjumuspärast tarkvara

44

Suhteliselt lihtne teha muudatusi

Kui see on probleem, siis suhteliselt vähe on vaja tunda riistvara

Puudused:

aeglane võrreldes riistvaralise realisatsiooniga sest programmi täitmisel toimub ju

pidevalt käskude lugemine mälust protsessorisse ja nende täitmine seal;

PC või mõnu teine universaalne arvuti on paljudes kohtades mõttetult kallis. Juhtides

lihtsa algoritmi järgi tööpinki ei kasuta me võimsa arvuti ressurssidest väikestki osa;

Füüsilised mõõtmed ei ole alati vastuvõetavad.

Mõned neist puudustest saab lahendada mikrokontrolleri abil. Mikrokontroller

kujutab endast ühel kristallil realiseeritud arvutit. Seal on olemas protsessor, taimer,

liidesed, mälu, katkestuse süsteem jne. Tõsi ? mälu maht on piiratud ja ka muud

parameetrid ei ole PC-ga võrreldavad, kuid lihtsamaid programme on ta võimeline

täitma. Omadused võrreldes mikrokontrollerita programse realisatsiooniga:

Head omadused

Kasutada tuleb oma spetsiaalset tarkvara programmeerimisel

samuti suhteliselt lihtne teha muudatusi

eeldab suuremat riistvara tundmist, vähemalt riistvara lähedast programmeerimist

Puudused

aeglane võrreldes riistvaralise realisatsiooniga, sest programmi täitmisel toimub ju

pidevalt käskude lugemine mälust protsessorisse ja nende täitmine seal;

võrreldes PC-ga suhteliselt odav, aga ka mälu ja muud ressursid võivad osutuda

paljudes kohtades ebapiisavateks;

füüsilised mõõtmed on oluliselt väiksemad kui PC-l, kuid mõneski kohas

kasutamiseks liiga suured (nt mobiiltelefon)

o Riistvaraline realisatsioon

Alati võib algoritmi realiseerida riistvaras nagu juhtautomaadi protsessoris. See

tähendab, et algoritm realiseeritakse loogikaskeemina. Edasi loogikaskeemi

realiseerimine võib toimudatrükkplaadina komponentidest (mikroskeemidest)

koostatud loogikaskeemiga või kristalli pinnal ühe mikroskeemina (ASIC ?

application specific integrated circuit). Erinevus on siin vaid tehnoloogilist laadi.

ASIC-u valmistamine eeldab terve rea etappide läbimist enne kui meil on valmis oma

loogikaskeemi prototüüp katsetusteks. Kogu disain nõuab suhteliselt kalli spetsiaalse

tarkvara (CAD ? computer aided design) olemasolu. Kõigi realisatsioonide puhul ei

ole sellise tarkvara hankimine võimalik. Selleks, et saada esimene prototüüp on vaja

teha kõik maskid ja valmistada mikroskeem. Suurte partiide korral on selliste maskide

tegemine ja siis nende abil paljude mikroskeemide valmistamine otstarbekas.Alguses

katsetamise ajal on ka suhteliselt aeganõudev, kallis ja tülikas teha muudatusi mida

siiski ilmselt vältida ei saa. Muudatused võivad olla tingitud nii disaini vigadest kui ka

tellija poolsest nõudmiste muutustest, mis kerkivade esile katsetamise faasis.

Oma mikroskeem (ASIC):

Eelised

Suurte seeriaate puhul odavam toota;

turvalisus;

väiksem komponentide arv;

Suurem komponentide tihedus vähendab energia kulu ja suurendab töökiirust

Puudused

Väikeste seeriate korral kõrged projekteerimise ja prototüübi valmistamise kulud;

45

Pikk juurutamise ja prototüübi valmistamise aeg;

Tülikas muudatuste tegemine.

Disainid võivad olla:

Full custom design ? toote jaoks tehakse algusest lõpuni oma mikroskeem (CAD,

Silicon Compailer)

Semicustom Design ? kasutatakse vamis toorikuid ja disainitakse ainult osa, mis

realiseerib vajalikku toodet (gate arrays, standart cells)

o Programmeeritav loogika ja riistvara programmeerimise

tehnoloogiad

PLD-programmable Logic Devices.

Mikroskeemi valmistamise ja programse realisatsiooni vahel on olemas veel üks

spetsiaalse riistvara realiseerimise võimalus ? programmeeritav loogika. Siin

programmeeritav loogika tähendab tegelikult mitte protsessoris täidetava programmi

kirjutamist, aga riistvara tooriku konfigureerimist vastavalt oma rakendusele.

Programmeerimise all tuleb siin mõista konfigureerimist.

Konfigureerimiseks/programmeerimiseks kasutatakse põhiliselt kolme tehnoloogiat:

Staatilise suvapöördusmälu (SRAM) tehnoloogia

SPRAM tehnoloogias moodustatakse toorikul (tavaliselt maatriks) SPRAM trigeritest

suur nihkeregister. Kandes sinna registrisse bittide jada toimubki konfigureerimine.

SPRAM tehnoloogia omadusi:

funktsionaalseid blokke ja ühendusi juhitakse SPRAM trigeritega;

Ühenduselemendid on sama kristalli pinnal;

Konfigureerimine ei ole destruktiivne protsess;

Programmeerimine toimub pärast toite sisselülitamist ja võimalik on töö ajal

ümberkonfigureerimine;

Vajalik toite sisse lülitamisel konfigureerimiseks väline mäluga seade, kus hoitakse

konfiguratsioonifaili;

SPRAM elemendid on suured (5 transistori), nõuavad toidet, infoliine, maandust ja

valiku liine;

Saab valmistada koos muu loogikaga samas CMOS tehnoloogias

SPRAM mäluelementide disaini on palju ja põhjalikult uuritud.

Anti-fuse ja Fuse tehnoloogia

Antifuse tehnoloogia juures tekitatakse kahe metalli vahele voolu impulsiga ühendus.

Algselt on metallide vahel amorfne räni, millel on väga suur takistus (ühendus metalli

juhtide vahel praktiliselt puudub), mis voolu impulsi toimel sulab ja moodustab

ühenduse (väikese takistusega piirkond)

Antifuse tehnoloogia omadusi:

modifitseeritud CMOS tehnoloogia ja vajalik eraldi vamistamise etapp, millega

valmistatakse juhtide vahele väga õhuke isolatsioonikiht;

Programmeerimine on destruktiivne ? põletatud ühendus ei ole taastatav;

Programmeeritakse toitest oluliselt kõrgema pingega ja seega on paljudes kohtades

vajalik täiendav isolatsiooni kiht;

Ei ole võimalik lugeda välja konfiguratsioonifaili;

Sobivad multipleksorite valmistamiseks

Fuse tehnoloogia korral on juhi teatud poorkond tehtud oluliselt väiksema ristlõike

pindalaga ja nüüd saab selles piirkonnas ühenduse voolu impulsiga katkestada. Seega

46

ühel juhul konfigureerimisel tekitatakse ühendusi ja teisel juhul neid ühendusi

katkestatakse konfigureerimisel/programmeerimisel.

EPROM, EEPROM ja Flash tehnoloogia.

Antud tehnoloogiad on samasugused nagu on vastavate püsimälude

programmeerimise tehnoloogiad ja neid on kirjeldatud püsimälude juures.

omadused:

Sobib kokku standard CMOS tehnoloogiaga;

Protsess ei ole destruktiivne;

Puuduseks on laengute hajumine;

EEPROM ja Flash tehnoloogia korral saab programmeerida mikroskeemi eraldamatta.

***

Kasut. loogiliste funktsioonide realiseerimiseks. Maatriksid jagunevad AND- ja OR

maatriksiteks. Mõlemat liiki maatriksid kujutavad endast ristuvate siinide süsteemi,

kus üksikjuhtmeid saab ristumiskohtades omavahel ühendada või vastupidi

olemasoleva ühenduse katkestada. Tegelik ühendamine toimub transistoride ja

dioodide abil. Programmeerimine siin tähendab mitte sissepõletamist skeemi, vaid

riistvara konfiguratsiooni sissepõletamist.

Näiteks funktsioon :

Dioodide maatriks realiseerib meie funktsiooni. Joonisel on ringidega

tähistatud dioodid. Sellise maatriksi valmistamiseks tehakse tehases valmis toorik, kus

on kõikidel positsioonidel dioodid ning hiljem põletatakse nende ühendused välja, mis

pole vajalikud. On võimalik ka konjuktsioonmaatriks, kui dioodide asemel on

transistorid. Siis põletatakse välja mittevajalikud emitterühendused

47

 disjunktiivset normaalkuju realiseerivad lihtsamad

maatriks-struktuurid (PAL - Programmable Array

Logic, PLA -Programmable Logic Array)

Programmable array logic (PAL) is a programmable logic device used to implement

combinational logic circuits. The PALs were the first programmable logic devices for

the commercial market, introduced by Monolithic Memories, Inc. (MMI). The PAL,

in comparison to the PLA has a fixed set of OR gates, and thus a fixed number of

programmable AND planes. However, the PAL allows reuse of function outputs, and

can be then used in another PAL program block. Early PALs were 20-pin DIP (dual

inline package) components fabricated in bipolar silicon transistor technology with

nichrome programming fuses. The 16L8 and 16R8 were popular members of the

product family. The devices have fixed-or, programmable-and-plane arrays of

transistor cells to implement 'sum-of-products' binary logic equations for each of the

outputs in terms of the inputs and either synchronous or asynchronous feedback from

the outputs. Before PALs were introduced digital designers would use SSI (smallscale

integration) components, such as 7400 series nand gates and D-flipflops. One

PAL device would typically replace dozens of such 'discrete' logic packages, so the

SSI business went into decline as the PAL business took off. PALs were used

advantageously in many products, such as minicomputers, as documented in the bestselling

book "The Soul of a New Machine."

Early PALs were programmed using PALASM language files (converted by a

compiler into JEDEC ASCII/hexadecimal files) and a special electronic programming

system available from either the manufacturer or a third-party, such as DATAIO.

Gang programmers were used when more than just a few parts were needed and for

large volumes the manufacturer would fabricate a custom metal mask for

manufacturing so electrical programming could be eliminated to reduce cost.

PALASM was used to express boolean equations for the outputs pins in a text file

which was then converted to the 'fuse map' file for the programming system using a

vendor-supplied program; later the option of translation from schematics became

common, and later still, 'fuse maps' could be 'synthesized' from an HDL (hardware

description language,) such as Verilog.

After MMI succeeded with the 20-pin PAL parts, AMD introduced the 24-pin 22V10

PAL with additional features. After buying out MMI (1987?), AMD spun off a

consolidated operation as Vantis, and that business was acquired by Lattice

Semiconductor in 1999.

Programmable Logic Array (PLA) - This device has both programmable AND and

OR planes. The space-flight application that I am aware utilized the bipolar, fusebased,

82S100 in the central processing units of the Magellan and Galileo attitude

control computers. PLA structures may also appear as part of some CPLDs. The two

layers of programmable structure add a fixed delay.

 kasutaja poolt programmeeritavad maatriksstruktuurid

(FPGA - Field Programmable Gate Array)

48

This device is similar to the gate array, defined above, with the device shipped to the

user with general-purpose metallization pre-fabricated, often with variable length

segments or routing tracks. The device is programmed by turning on switches which

make connections between circuit nodes and the metal routing tracks. The connection

may be made by a transistor switch (which are controlled by a programmable memory

element) or by an antifuse. The transistor switch may be controlled by an SRAM cell

or an EPROM/EEPROM/Flash cell. Timing is generally not easily predictable. Some

architectures employ dedicated logic and routing resources for optimizing high-speed

functions such as carry chains, wide decodes, etc.

The PROM, PAL, AND PLA are three related devices. They share an architecture

that consists of AND and OR planes. Additional features such as programmable I/O

blocks, storage registers, etc., may be included in these devices. Commercial,

military, and space devices use a variety of programmable elements. A complete list

is beyond the scope of this tutorial. Some aerospace examples are given below.

arhitektuur

The architecture consists of an array of logic blocks and routing channels. Two I/O

pads fit into the height of one row or the width of one column. All the routing

channels have the same width (number of wires).

Each circuit must be mapped into the smallest square FPGA that can accommodate it.

For example, a circuit containing 14 logic blocks and 10 I/O pads would be mapped

into an FPGA consisting of a 4x4 array of logic blocks.

The FPGA logic block consists of a 4-input lookup table (LUT), and a flip-flop, as

shown at below.

There is only one output, which can be either the registered or the unregistered LUT

output. The logic block has four inputs for the LUT and a clock input. Since the clock

is normally routed via a special-purpose dedicated routing network in commercial

FPGAs, do NOT route it or include it in your track count results. That is, you can

completely ignore the clock net, since it is assumed to be routed on a special global

network.

49

The l ocations of the FPGA logic block pins are shown below.

Each input is accessible from one side of the logic block, while the output pin can

connect to routing wires in both the channel to the right and the channel below the

logic block.

Each logic block output pin can connect to any of the wiring segments in the channels

adjacent to it. The figure below should make the situation clear.

Similarly, an I/O pad can connect to any one of the wiring segments in the channel

adjacent to it. For example, an I/O pad at the top of the chip can connect to any of the

W wires (where W is the channel width) in the horizontal channel immediately below

it.

The FPGA routing is unsegmented. That is, each wiring segment spans only one logic

block before it terminates in a switch box. By turning on some of the programmable

switches within a switch box, longer paths can be constructed.

Whenever a vertical and a horizontal channel intersect there is a switch box. In this

architecture, when a wire enters a switch box, there are three programmable switches

that allow it to connect to three other wires in adjacent channel segments. The pattern,

or topology, of switches used in this architecture is the planar or domain-based switch

box topology. In this switch box topology, a wire in track number one connects only

to wires in track number one in adjacent channel segments, wires in track number 2

connect only to other wires in track number 2 and so on. The figure below illustrates

the connections in a switch box.

Oma mikroskeemi (ASIC) ja FPGA-de vahel on veel üks spets riistvara realiseerimise

võimalus ?MPGA (mask programmable Gate Array). MPGA juures konfigureeritakse

maatriks mikroskeemi valmistamise viimaste etappide ajal maskide abil, see tähendab

50

tekitatakse ühendused, mis konfigureerivadki maatrikse. Meetod on seotud

mikroskeemi valmistamise tehnoloogiaga ja seda ei saa teha kasutaja ise. Seega on ta

oma omadustelt sarnande ASIC-ule ühelt poolt ja teiselt poolt kasutatakse toorikuid ja

ei läbita kõiki mikroskeemi projekteerimise ning valmistamise etappe. Reeglina

pakuvad FPGA-de valmistajad ka MPGA-sid koos tarkvaraga, mis võimaldab minna

automaatselt ühelt teisele.

FPGA omadusi:

aeglasem

väiksem tihedus

odavam prototüüp

suur seeria oluliselt kallim

alati paindlikum võimalus teha muudatusi

kiiremini tootmisse

 FPGA-de projekteerimine

Riistvara kirjeldus (Boole?I funktsioonid, loogikaskeem jne)

Loogiline optimeerimine/minimeerimine

Ülesande jaotamine (Technologu mapping)

Osaülesannete paigutus (placement)

Trasseerimine (routing)

programmeerimine/konfigureerimine

? Erinevate spetsiaalse riistvara realiseerimise võimaluste

kasutusvaldkonnad ja võrdlus.

Vt programmeeritava loogika punkti, kus on puudused ja värgid olemas.

Arvutite riistvara veakindlus.

? Rikked arvuti riistvaras.

Püsivad rikked:

1.Ühenduste rikked;

2.Purunenud komponendid;

3.Tootmisel tekkivad rikked;

4.Disaini vead.

Mitepüsivad rikked:

1.Keskond (temp. Niiskus, rõhk ...);

2.Vibratsioon;

3.Toide;

4.El. magn väli, staatiline elekter, maandus;

5.Halvad ühendused;

6.Kriitilised ajad (timing);

7.Takistuse ja mahtuvuse muutused,

8.Müra;

9.Vananemine.

? Testimine.

51

Millal testitakse :

? Normaalses tööreziimiz. (Online testing,Concurrent testing)

? Spetsiaalses testimise reziimis. (Off-line testing)

Kus on stiimulid :

? Süsteemi sees (Self-testing)

? Eraldi testri mälus (External testing)

Milliseid rikkeid testitakse :

? Projekteerimise vigu. (Design verification)

? Tootmise vigu

? Tootmise praaki

? Rikkeid (Field testing, Mintenance testing)

Milline on testimise objekt :

? Mikroskeem IC (Component level testing)

? Plaat (Board level testing)

? Süsteem (System-level testing)

Kuidas saadakse testid/oodatavad reakstsioonid :

? Mälust. (Stored pattern tetsing)

? Genereeritakse testimise ajal. (Algorithmik testing)

Millises järjekorras antakse teste objektile :

? Fikseeritud jäjekorras.

? Sõltuvalt eelmise testi tulemustest (Adaptive testing)

Milline on testimise kiirus :

? Normaalsest tööökiirusest aeglasemalt (Static testing)

? Töökiirusel (At-speed testing)

Mida jälgitakse :

? Kõiki väljundkombinatsioone

? Funktsiooni väljundkombinatsioonidest (Compakt tetsing)

Milistele objekti punktidele on ligipääs :

? Ainult sisenditele/väljunditele. (Edge-pin testing)

? Sisenditele/väljunditele lisaks ka sisemistele punktidele. (In-circuit tetsing, Bedof-

nails testing, ?)

Kes kontrollib tetsimise tulemusi :

? Süsteem ise (Self-testing, Self-cheking)

? Väline seade-tester. (External testing)

objekt, test ja etalon

testinfo esitus

rikkemudelid.

konstant 0 ja konstant 1 rike ( stuck-at-0 and stuck-at-1 faults, s-a-0 and s-a-1)

lühised (Bridges)

ühekordsed ja mitmekordsed rikked

testide genereerimine (Test Pattern Generation)

kattev testimine (Exhaustive Testing)

juhuslik testimine (Random Testing)

pseude juhuslik testimine (Pseudo Random Testing)

testide genereerimine determineeritud meetodil

? Testitava riistvara projekteerimine

52