Реферат: ПЛИС Xilinx семейства Virtex™

Реферат: ПЛИС Xilinx семейства Virtex™

ПЛИС семейства Virtex™

1. Особенности

•  Высокопроизводительные,  большой  емкости,  программируемые пользователем логические  интегральные схемы с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Arrays):

— емкость от 50К до 1М системных вентилей;

— системная производительность до 200 МГц;

— совместимы с шиной PCI 66 МГц;

—  поддерживают функцию Hot-swap для Compact PCI.

•  Поддержка   большинства   стандартов   ввода-вывода   (технология SelectIO™):

— 16 высокопроизводительных стандартов ввода — вывода;

— прямое подключение к ZBTRAM устройствам.

•  Встроенные цепи управления тактированием:

— четыре встроенных модуля автоподстройки задержек (DLL -delay-locked loop) для расширенного управления тактовыми сигналами как внутри кристалла, так и всего устройства;

— четыре  глобальные сети распределения тактовых сигналов с малыми разбегами фронтов, плюс 24 локальные тактовые сети.

•  Иерархическая система элементов памяти:

— на базе 4-входовых таблиц преобразования (4-LUT - - Look-Up Table),  конфигурируемых либо как 16-битовое ОЗУ  (Random Access Memory), либо как 16-разрядный сдвиговый регистр;

— встроенная блочная память, каждый блок конфигурируется как синхронное двухпортовое ОЗУ емкостью 4 Кбит;

— быстрые интерфейсы к внешнему высокопроизводительному ОЗУ.

• Гибкая  архитектура  с  балансом  быстродействия  и   плотности упаковки логики:

— специальная логика ускоренного переноса для высокоскоростных арифметических операций;

— специальная поддержка умножителей;

— каскадируемые цепочки для функций с большим количеством входов;

— многочисленные регистры/защелки с разрешением тактирования и синхронные/асинхронные цепи установки и сброса;

— внутренние шины с тремя состояниями;

— логика периферийного сканирования в соответствии со стандартом IEEE1149.1;

— датчик температуры кристалла.

•  Проектирование осуществляется пакетами программного обеспечения Foundation™ и Alliance Series, работающими на ПК или рабочей станции.

•  Конфигурация кристалла хранится во внешнем ПЗУ, и загружается в кристалл     после     включения     питания    автоматически или принудительно:

—  неограниченное число циклов загрузки,

—  четыре режима загрузки.

•  Производятся по 0.22-мкм КМОП-технологии с 5-слойной металлизацией на основе статического ОЗУ.

•   100%-ное фабричное тестирование.

2. Описание

Семейство FPGA Virtex™ позволяет реализовать высокопроизводи­тельные, большой емкости, цифровые устройства на одном кристалле. Рез­кое увеличение эффективности реализаций достигнуто благодаря новой архитектуре, более эффективной для размещения и трассировки элемен­тов, а также производству кристаллов на основе 0.22-мкм процесса с пя­тью слоями металлизации. Все это позволяет использовать кристаллы Virtex как альтернативу масочно-программируемым вентильным матри­цам. В состав семейства Virtex входят девять микросхем, отличающихся логической емкостью (Табл. 1).

Таблица 1. Основные характеристики семейства Virtex.

Созданное на основе опыта, приобретенного при разработках предыду­щих серий FPGA, семейство Virtex является революционным шагом вперед, определяющим новые стандарты в производстве программируемой логики. Сочетая большое разнообразие новых системных свойств, иерархию высоко­скоростных и гибких трассировочных ресурсов с передовой кремниевой тех­нологией изготовления, семейство Virtex предоставляет разработчику широ­кие возможности реализации быстродействующих, большой логической ем­кости цифровых устройств, при значительном снижении времени разработки.

3. Обзор архитектуры семейства Virtex

Основными особенностями архитектуры кристаллов семейства Virtex являются гибкость и регулярность. Кристаллы состоят из матрицы КЛБ (Конфигурируемый Логический Блок), которая окружена программируе­мыми блоками ввода-вывода (БВВ). Все соединения между основными элементами (КЛБ, БВВ) осуществляются с помощью набора иерархичес­ких высокоскоростных программируемых трассировочных ресурсов. Изобилие таких ресурсов позволяет реализовывать на кристалле семейст­ва Virtex даже самые громоздкие и сложные проекты.

Кристаллы семейства Virtex производятся на основе статического ОЗУ (Static Random Access Memory — SRAM), поэтому функционирование кри­сталлов определяется загружаемыми во внутренние ячейки памяти конфи­гурационными данными. Конфигурационные данные могут загружаться в кристалл несколькими способами. В ведущем последовательном режиме (Master Serial) загрузка осуществляется из внешнего ОЗУ и полностью уп­равляется самой FPGA Virtex. В других режимах управление загрузкой осу­ществляется внешними устройствами (режимы Select-MAP™, подчинен­ный-последовательный (Slave Serial и JTAG).

Конфигурационные данные создаются пользователем при помощи программного обеспечения проектирования Xilinx Foundation и Alliance Series. Программное обеспечение включает в себя схемный и текстовый ввод, моделирование, автоматическое и ручное размещение и трассировку, создание, загрузку и верификацию загрузочных данных.

3.1. Быстродействие

Кристаллы Virtex обеспечивают более высокую производительность, чем предыдущие поколения FPGA. Проекты могут работать на системных частотах до 200 МГц, включая блоки ввода-вывода. Блоки ввода-вывода Virtex полностью соответствуют спецификациям PCI-шины, поэтому кри­сталл позволяет реализовывать интерфейсные схемы, работающие на час­тоте 33 МГц или 66 МГц. В дополнение к этому кристаллы Virtex удовле­творяют требованию «hot-swap» для Compact PCI.

К настоящему времени кристаллы полностью протестированы на «эта­лонных» схемах. На основе тестов выявлено, что хотя производительность сильно зависит от конкретного проекта, большинство проектов работают на частотах превышающих 100 МГц и могут достигать системных частот до 200 МГц. В Табл. 2 представлены производительности некоторых стандартных функций, реализованных на кристаллах с градацией быстродействия '6'.

В отличие от предыдущих семейств ПЛИС фирмы «Xilinx», в сериях Virtex™ и Spartan™ градация по быстродействию обозначается классом, а не задержкой на логическую ячейку. Соответственно, в семействах Virtex™ и Spartan™ чем больше класс, тем выше быстродействие.

4. Описание архитектуры

4.1. Матрица Virtex

Программируемая пользователем вентильная матрицу серии Virtex пока­зана на Рис. I. Соединение между КЛБ осуществляется с помощью главных трассировочных матриц — ГТМ. ГТМ — это матрица программируемых транзисторных двунаправленных переключателей, расположенных на пере­сечении горизонтальных и вертикальных линий связи. Каждый КЛБ окру­жен локальными линиями связи (VersaBlock™), которые позволяют осуще­ствить соединения с матрицей ГТМ.

Таблица 2. Производительность стандартных функций Virtex-6

Рис. 1. Структура архитектуры Virtex.

Интерфейс ввода-вывода VersaRing создает дополнительные трассиро­вочные ресурсы по периферии кристалла. Эти трассы улучшают общую «трассируемость» устройства и возможности трассировки после закрепле­ния электрических цепей к конкретным контактам.

Архитектура Virtex также включает следующие элементы, которые со­единяются с матрицей ГТМ:

• Специальные блоки памяти (BRAMs) размером 4096 бит каждый.

• Четыре модуля автоподстройки задержек (DLL), предназначенных для компенсации задержек тактовых сигналов, а также деления, умножения и сдвига фазы тактовых частот.

• Буферы с тремя состояниями (BUFT), которые расположены вблизи каждого КЛБ и управляют горизонтальными сегментированными трассами.

Коды, записанные в ячейки статической памяти, управляют настройкой логических элементов и коммутаторами трасс, осуществляющих соединения в схеме. Эти коды загружаются в ячейки после включения пи­тания и могут перезагружаться в процессе работы, если необходимо изме­нить реализуемые микросхемой функции.

4.2. Блок ввода-вывода

Основным отличительным свойством EBB семейства Virtex является поддержка широкого спектра стандартов сигналов ввода-вывода. На Рис. 2 представлена структурная схема БВВ. В Табл. 3 перечислены поддержива­емые стандарты.

Таблица 3. Поддерживаемые стандарты ввода-вывода.

БВВ содержит три запоминающих элемента, функционирующих либо как D-тригтеры, либо как триггеры-защелки. Каждый БВВ имеет входной сигнал синхронизации (CLK), распределенный на три триггера и незави­симые для каждого триггера сигналы разрешения тактирования (Clock Enable — СЕ).

Кроме того, на все триггеры заведен сигнал сброса/установки (Set/Reset-SR). Для каждого триггера этот сигнал может быть сконфигурирован неза­висимо, как синхронная установка (Set), синхронный сброс (Reset), асин­хронная предустановка (Preset) или асинхронный сброс (Clear).

Входные и выходные буферы, а также все управляющие сигналы в БВВ допускают независимый выбор полярности. Данное свойство не отображено на блок-схеме БВВ, но контролируется программой проектирования.

Все контакты защищены от повреждения электростатическим разрядом и от всплесков перенапряжения. Реализованы две формы защиты от перенапряжения, олдна допускает 5-В совместимость, а другая нет. Для случая 5-В совместимости, структура, подобная диоду Зенера, закорачивает на землю контакт, когда напряжение на нем возрастает приблизительно до 6.5В. В случае, когда требуется 3.3-В PCI-совместимость, обычные диоды ограничения могут подсоединяться к источнику питания выходных каскадов, . Тип защиты от перенапряжения может выбираться независимо для каждого контакта. По выбору, к каждому контакту может подключаться:

1.  Резистор, соединенный с общей шиной питания (pull-down).

2.  Резистор, соединенный с шиной питания (pull-up).

3.  Маломощная схема удержания последнего состояния (week-keeper).

До начала процесса конфигурирования микросхемы все выводы, не задействованные в этом процессе, принудительно переводятся в состояние высокого импеданса. Резисторы «pull-down» и элементы «week-keeper» неактивны, а резисторы «pull-up» можно активировать.

Активация резисторов «pull-up» перед конфигурацией управляется внутренними глобальными линиями через управляющие режимные кон­такты. Если резисторы «pull-up» не активны, то выводы находятся в состо­янии неопределенного потенциала. Если в проекте необходимо иметь оп­ределенные логические уровни до начала процесса конфигурирования нужно использовать внешние резисторы.

Все БВВ микросхемы Virtex совместимы со стандартом IEEE 1149.1 периферийного сканирования.

4.2.1. Ввод сигнала

Входной сигнал БВВ может быть протрассирован либо непосредствен­но к блокам внутренней логики, либо через входной триггер.

Кроме того, между выходом буфера и D-входом триггера может быть подключен элемент задержки, исключающий время удержания для случая контакт-контакт. Данная задержка согласована с внутренней задержкой распределения сигнала тактирования FPGA, что гарантирует нулевое вре­мя удержания для распределения сигналов контакт-контакт.

Каждый входной буфер может быть сконфигурирован таким обра­зом, чтобы удовлетворять одному из низковольтных сигнальных стан­дартов, поддерживаемых устройством. В некоторых из этих стандартов входной буфер использует напряжение порогового уровня (), фор­мируемое пользователем. Использование напряжений  позволяет ввести в устройство принудительные опорные величины для различных, близких по используемым логическим уровням стандартов (см. также «Банки ввода-вывода»).

К каждому входу после окончания процесса конфигурирования могут быть, по выбору, подключены внутренние резисторы (либо pull-up, либо pull-down). Сопротивление этих резисторов лежит в пределах 50... 150 кОм.

4.2.2. Вывод сигнала

Выходной сигнал проходит через буфер с тремя состояниями, выход ко­торого соединен непосредственно с выводом микросхемы. Сигнал может быть протрассирован на вход буфера с тремя состояниями, либо непосредственно от внутренней логической структуры, либо через выходной триг­гер блока ввода-вывода.

Управление буфером с тремя состояниями также может осуществлять­ся либо непосредственно от внутренней логической структуры, либо через специальный триггер БВВ, который позволяет создать синхронное управ­ление сигналом разрешения и запрещения для буфера с тремя состояния­ми. Каждый такой выходной каскад рассчитан на втекающий ток до 48 мА и вытекающий ток до 24 мА. Программирование мощности и скорости на­растания сигнала выходного каскада позволяет минимизировать переход­ные процессы в шинах.

Для большинства сигнальных стандартов выходной уровень логичес­кой единицы зависит от приложенного извне напряжения . Использо­вание напряжения  позволяет ввести в устройство принудительные опорные величины для различных, близких по используемым логическим уровням стандартов (см. также «Банки ввода-вывода»).

По выбору, к каждому выходу может быть подключена схема «week-keeper». Если данная цепь активирована (пользователем на этапе создания схемы), то она следит за напряжением на контакте микросхемы и создает слабую нагрузку для входного сигнала, подключенную либо к «земле» (ес­ли на входе уровень логического нуля), либо к источнику питания (если на входе уровень логической единицы). Если контакт подключен к несколь­ким источникам сигнала, эта цепь удерживает уровень входного сигнала в его последнем состоянии, при условии, что все источники были переведе­ны в состояние с высоким импедансом. Поддержание таким путем одного из допустимых логических уровней позволяет ликвидировать неопреде­ленность уровня шины.

Так как схема «week-keeper» использует входной буфер для слежения за входным уровнем, то необходимо использовать подходящее значение напряжения , если выбранный сигнальный стандарт требует этого. Подключение данного напряжения должно удовлетворять требованиям правил разбиения на банки.

4.2.3. Банки ввода-вывода

Некоторые из описанных выше стандартов требуют подключения напря­жения  и/или . Эти внешние напряжения подключаются к контак­там микросхемы, которые функционируют группами, называемыми банками.

Как показано на Рис. 3, каждая сторона кристалла микросхемы разделена на два банка. Каждый банк имеет несколько контактов , но все они должны быть подключены к одному и тому же напряжению. Это напряжение определяется выбранным для данного банка\стандартом выходных сигналов.

Рис. 3. Банки ввода-вывода Virtex

Стандарты для выходных сигналов конкретного банка могут быть раз­личными только в том случае, если они используют одинаковое значение напряжения . Совместимые стандарты показаны в Табл. 4. GTL и GTL+ присутствуют везде, поскольку их выходы с открытым стоком не зависят от значения .

Страницы: 1, 2, 3, 4