Реферат: ПЛИС Xilinx семейства Virtex™

Таблица 4. Выходные совместимые стандарты.

Некоторые сигнальные стандарты требуют подачи соответствующих пороговых напряжений  на входные каскады. При этом определенные БВВ автоматически конфигурируются как входы, соответствующие напря­жению . Приблизительно один контакт из шести в каждом банке мо­жет выполнять эту роль.

Контакты  в пределах одного банка внутренне между собой соеди­нены, следовательно, только одно значение напряжения  может быть использовано в рамках одного банка. Для правильной работы все контак­ты  одного банка должны быть подсоединены к внешнему источнику напряжения.

В пределах одного банка можно одновременно использовать входы, ко­торые требуют напряжения  и входы, которые этого не требуют. В то же время, только одно значение напряжения  может быть использова­но в рамках одного банка. Входные буферы, которые используют , не совместимы с сигналами 5-В стандартов.

Контакты  и  для каждого банка приведены в таблицах и ди­аграммах под конкретный корпус и кристалл. На диаграммах также пока­зано, к какому банку относится конкретный контакт ввода-вывода.

В рамках конкретного типа корпуса микросхемы число контактов  и  может меняться в зависимости от емкости кристалла. Чем больше кристалл по логической емкости, тем большее число контактов ввода-вы­вода преобразовано в контакты типа . Поскольку существует макси­мальный набор контактов  для меньших кристаллов, имеется возмож­ность проектирования печатной платы, позволяющей также использовать на ней и большие кристаллы с таким же типом корпуса. Все контакты , предполагаемые к использованию для больших кристаллов, при этом должны быть подсоединены к напряжению  и не должны исполь­зоваться как контакты ввода-вывода.

В меньших кристаллах некоторые из контактов , используемые в больших кристаллах, не соединены внутри корпуса. Эти не присоединен­ные контакты могут быть оставлены не присоединенными вне микросхе­мы или быть подключены к напряжению  при необходимости обес­печения совместимости разрабатываемой печатной платы с большими кристаллами.

В корпусах типа TQ-144 и PQ-240/HQ-240 все контакты  соедине­ны вместе внутри микросхемы и, следовательно, ко всем из них должно быть подключено одно и то же напряжение . В корпусе CS-144 пары банков, расположенные на одной стороне, внутренне соединены, обеспе­чивая, таким образом, возможность выбора только четырех возможных значений напряжения для . Контакты  остаются внутренне со­единенными в рамках каждого из восьми банков и могут использоваться, как было описано выше.

4.3. Конфигурируемый логический блок - КЛБ

Базовым элементом КЛБ является логическая ячейка - ЛЯ (Logic Cell — LC). ЛЯ состоит из 4-входового функционального генератора, ло­гики ускоренного переноса и запоминающего элемента. Выход каждого функционального генератора каждой логической ячейки подсоединен к выходу КЛБ и к D-входу триггера. Каждый КЛБ серии Virtex содержит че­тыре логические ячейки, организованные в виде двух одинаковых секций (Рис. 4). На Рис. 5 представлено детальное изображение одной секции.

В дополнение к четырем базовым логическим ячейкам, КЛБ серии Virtex содержит логику, которая позволяет комбинировать ресурсы функциональ­ных генераторов для реализации функций от пяти или шести переменных. Таким образом, при оценке числа эквивалентных системных вентилей для микросхем семейства Virtex, каждый КЛБ приравнивается к 4.5 ЛЯ.

4.3.1.  Таблица преобразования

Функциональные генераторы реализованы в виде 4-входовых таблиц преобразования (Look-Up Table — LUT). Кроме использования в качестве функциональных генераторов, каждый LUT-элемент может быть также ис­пользован как синхронное ОЗУ размерностью 16х1 бит. Более того, из двух LUT-элементов в рамках одной секции можно реализовать синхрон­ное ОЗУ размерностью 16х2 бита или 32х1 бит, либо двухпортовое син­хронное ОЗУ размерностью 16х1 бит.

На LUT-элементе микросхемы Virtex может быть реализован 16-раз­рядный сдвиговый регистр, который идеально подходит для захвата высо­коскоростных или пакетных потоков данных. Этот режим может также ис­пользоваться для запоминания данных в приложениях цифровой обработ­ки сигналов.

4.3.2.  Запоминающие элементы

Запоминающие элементы в каждой секции КЛБ Virtex могут конфигу­рироваться как динамические триггеры (чувствительные к фронту сигна­ла) D-типа, либо как триггеры-защелки, чувствительные к уровню сигна­ла. D-вход триггера может управляться либо от функционального генератора в рамках той же секции КЛБ, либо непосредственно от входов данной секции КЛБ, минуя функциональные генераторы.

Кроме сигналов синхронизации (Clock) и разрешения синхрониза­ции (Clock Enable — СЕ) в каждой секции КЛБ есть сигналы синхрон­ной установки (Set) и сброса (Reset). Обозначение этих сигналов — SR и BY соответственно. Сигнал SR переводит запоминающий элемент в состояние, определенное для него в конфигурационных данных, а сиг­нал BY — в противоположное состояние. Эти же сигналы могут быть использованы также в качестве асинхронной предустановки (Preset) и очистки (Clear). Все сигналы управления могут быть независимо про-инвертированы. Они подаются на оба триггера в рамках конкретной секции КЛБ.

4.3.3. Дополнительная логика

Дополнительная логика, входящая в каждый КЛБ, представлена двумя мультиплексорами: F5 и F6.

На вход мультиплексора F5 подаются сигналы с выходов функциональных генераторов данной секции КЛБ. Этот узел может работать как функциональ­ный генератор, реализующий любую 5-входовую функцию, либо как мульти­плексор 4:1, либо как некоторая функция от девяти входных переменных.

Аналогично, мультиплексор F6 объединяет выходы всех четырех функ­циональных генераторов КЛБ, используя один из выходов мультиплексора F5. Это позволяет реализовать либо любую 6-входовую функцию, либо мультиплексор 8:1, либо некоторую функцию до 19 переменных.

Каждый КЛБ имеет четыре сквозных линии — по одной на каждую ло­гическую ячейку. Эти линии используются как дополнительные входы данных, либо как дополнительные трассировочные ресурсы, не расходую­щие логические ресурсы.

4.3.4.  Арифметическая логика

Каждая ЛЯ содержит специальную логику ускоренного переноса, кото­рая обеспечивает наилучшую реализацию на ПЛИС различных арифмети­ческих функций. КЛБ содержит две отдельные цепи переноса — по одной на каждую секцию. Размерность цепи переноса — два бита на КЛБ.

Арифметическая логика включает в себя элемент, реализующий функ­цию исключающего ИЛИ, который позволяет реализовать однобитовый сумматор в одной логической ячейке.

В каждой логической ячейке имеется элемент, реализующий функ­цию И (AND), который предназначен для построения быстродействую­щих умножителей.

Специальные трассы логики ускоренного переноса могут также исполь­зоваться для каскадного включения функциональных генераторов при необ­ходимости создания функций с большим количеством входных переменных.

4.3.5.  Буферы с тремя состояниями

Каждый КЛБ Virtex содержит два буфера с тремя состояниями, кото­рые нагружены на внутренние шины (см. также п. 4.4.4 «Специальные трассировочные ресурсы»). Каждый буфер BUFT имеет независимый вход управления с третьим состоянием и независимый входной контакт.

4.3.6.  Блочная память (Block RAM)

В FPGA Virtex встроена особая блочная память (Block Select RAM) большой емкости. Она создана в дополнение к распределенной памяти не­большой емкости (Select RAM), реализованной на таблицах преобразова­ния (Look Up Table RAM — LUTRAM).

Блоки памяти Block Select RAM+ организованы в виде столбцов. Все устройства Virtex содержат два таких столбца, по одному вдоль каждой вертикальной стороны кристалла. Эти колонки увеличивают полный раз­мер кристалла. Каждый блок памяти равен по высоте четырем КЛБ, таким образом, микросхема Virtex, имеющая 64 КЛБ по высоте, содержит 1-6 бло­ков памяти на колонку и 32 блока памяти в целом. В Табл. 5 приводятся ем­кости блочной памяти для различных кристаллов Virtex.

Таблица 5. Емкость блочной памяти.

Каждый блок памяти, как показано на Рис. 6, это полностью синхронное двухпортовое ОЗУ с независимым управлением для каждого порта. Размер­ность шины данных для обоих портов может быть сконфигурирована незави­симо, что позволяет создавать преобразователи размерности шины. В Табл. 6 показаны возможные соотношения размерностей шин данных и адреса.

В кристаллах Virtex созданы специальные трассировочные ресурсы для связи блочной памяти с блоками КЛБ и другими блоками памяти.

Таблица 6. Соотношение шин адреса и данных

4.4. Программируемая трассировочная матрица

Быстродействие проекта, рассчитанного для наихудшего случая, огра­ничивает величина задержки для наиболее длинной трассы. Поэтому архи­тектура трассировочных ресурсов и программы размещения и трассиров­ки создавались с учетом использования их в едином процессе оптимиза­ции. Этот совместный процесс оптимизации минимизирует наиболее длинные пути и, таким образом, создает проект с наилучшей системной производительностью.

Кроме того, совместная оптимизация сокращает время компиляции, так как программное обеспечение и архитектура микросхемы создавались с учетом на­илучшего взаимодействия. Циклы проектирования, таким образом, сократи­лись благодаря более коротким временам каждой из итераций всего процесса.

4.4.1. Локальные связи

Как показано на Рис. 7, в кристалле Virtex созданы локальные трасси­ровочные ресурсы, называемые VersaBlock. Они позволяют реализовать три типа соединений:

1.    Связи между таблицами преобразования (LUT), триггерами и глав­ной трассировочной матрицей (ГТМ).

2.          Внутренние обратные связи КЛБ, которые создают высокоскорост­ные связи с таблицами преобразования в рамках одного КЛБ и позволяют соединять их в виде цепочек с минимальными задержками распростране­ния сигналов.

3.          Прямые трассы, которые создают высокоскоростные соединения с соседними по горизонтали КЛБ, избегая при этом больших задержек, при­сущих трассам ГТМ.

4.4.2. Трассировочные ресурсы общего назначения

Большинство связей в кристаллах Virtex реализуются с помощью трас­сировочных ресурсов общего назначения, и, следовательно, большая часть ресурсов межсоединений связана с этим типом трассировочной иерархии. Трассировочные ресурсы общего назначения расположены в виде горизон­тальных и вертикальных трассировочных каналов и размещены в непосредственной близости от строк и столбцов матрицы, образованной блока­ми КЛБ. Ниже перечислены эти ресурсы:

• Примыкающая к каждому КЛБ главная трассировочная матрица (ГТМ) — это матрица переключателей, с помощью которых комму­тируются горизонтальные и вертикальные трассы и посредством кото­рых блоки КЛБ получают доступ к трассировочным ресурсам общего назначения.

• ГТМ связана в каждом из четырех направлений с соседней ГТМ посредством 24 трасс одинарной длины.

• 96 буферизованных НЕХ-линий трассируют сигналы ГТМ к шести другим ГТМ в каждом из четырех направлений. НЕХ-линии органи­зованы в виде зигзагообразных линий. НЕХ-линии могут подклю­чаться к источникам сигнала только в своих конечных точках или се­рединных (три блока от источника). Одна третья часть НЕХ-линий является двунаправленными, в то время как остальные — однона­правленные.

• 12 длинных линий являются буферизированными, двунаправленными линиями, распространяющими сигналы в микросхеме быстро и эф­фективно. Вертикальные длинные линии имеют протяженность, равную полной высоте кристалла, а горизонтальные длинные линии — полной ширине.

4.4.3.  Трассировочные ресурсы для блоков ввода-вывода

Кристалл Virtex имеет дополнительные трассировочные ресурсы, располо­женные по периферии всей микросхемы. Эти трассировочные ресурсы форми­руют добавочный интерфейс между КЛБ и БВВ. Эти дополнительные ресурсы, называемые VersaRing, улучшают возможности закрепления сигналов за кон­тактами и переназначения уже сделанного закрепления, если это требование на­кладывается расположением сигналов на печатной плате. При этом сокращает­ся время изготовления всего проекта, т. к. изготовление и проектирование печат­ной платы можно выполнять одновременно с проектированием FPGA.

4.4.4.  Специальные трассировочные ресурсы

Некоторые классы сигналов требуют наличия специальных трассиро­вочных ресурсов для получения максимального быстродействия. В уст­ройстве Virtex специальные трассировочные ресурсы создавались для двух классов сигналов:

• Горизонтальные трассировочные ресурсы создавались для реализа­ции микросхеме шин с тремя состояниями. Четыре разделенные ли­нии шин реализованы для каждой строки КЛБ, позволяя организовы­вать сразу несколько шин в пределах одной строки (Рис. 8).

• Две специальные линии для распространения сигналов быстрого пе­реноса к прилегающему КЛБ в вертикальном направлении.

4.4.5. Глобальные трассировочные ресурсы

Глобальные трассировочные ресурсы распределяют тактовые сигналы и другие сигналы с большим коэффициентом разветвления по выходу на всем пространстве кристалла. Кристалл Virtex имеет два типа глобальных трасси­ровочных ресурсовтназываемых соответственно первичными и вторичными:

• Первичные глобальные трассировочные ресурсы представляют со­бой четыре специальные глобальные сети со специально выделенными входными контактами и связанными с ними глобальными буферами, спроектированными для распределения сигналов синхронизации с высоким коэффициентом разветвления и с минимальными разбегами фронтов. Каждая такая сеть может быть нагружена на входы синхро­низации всех КЛБ, БВВ и Block RAM — блоков микросхемы. Исто­чниками сигналов для этих сетей могут быть только глобальные бу­феры. Всего имеется четыре глобальных буфера — по одному для каждой глобальной сети.

•  Вторичные глобальные трассировочные ресурсы состоят из 24 маги­стральных линий, 12 — вдоль верхней стороны кристалла и 12 — вдоль нижней.  По этим связям может быть распространено до 12 уникальных сигналов на колонку по 12 длинным линиям данной колонки. Вторичные ресурсы являются более 'гибкими, чем пер­вичные, т.к. эти сигналы, в отличие от первичных, могут трассиро­ваться не только до входов синхронизации.

4.5. Распределение сигналов синхронизации

Как было описано выше, Virtex имеет высокоскоростные, с малыми ис­кажениями трассировочные ресурсы для распределения сигналов синхро­низации на всем пространстве микросхемы. Типичное распределение це­пей синхронизации показано на Рис. 9.

В микросхему встроено четыре глобальных буфера, два — в середине верхней части микросхемы, два — в середине нижней части. Эти буферы через первичные глобальные сети могут подводить сигналы синхрониза­ции на любой тактовый вход.

Для каждого глобального буфера имеется соответствующий, примыка­ющий к нему контакт микросхемы. Сигнал на вход глобального буфера мо­жет подаваться как с этих контактов, так и от сигналов, трассируемых ре­сурсами общего назначения.

4.5.1. Модули автоподстройки задержки (DLL)

Полностью цифровая автоподстройка задержки (DLL), связанная с каждым глобальным буфером, может устранять перекос задержек между синхросигналом на входном контакте микросхемы и сигналами на тактовых входах внутренних схем устройства. Каждая DLL может быть нагружена на две глобальные цепи синхронизации. Схема DLL отслеживает сиг­нал синхронизации на входном контакте микросхемы и тактовый сигнал, распределяемый внутри кристалла, затем автоматически устанавливает необходимую задержку. Дополнительная задержка вводится таким обра­зом, что фронты сигналов синхронизации достигают внутренних тригге­ров в точности на один период синхронизации позже их прихода на вход­ной контакт. Эта система с обратной связью эффективно устраняет за­держку распределения сигналов синхронизации, гарантируя, что фронты синхросигналов на входе микросхемы и на внутренних тактовых входах с большой точностью синхронны.

Вдобавок, для устранения задержек, возникающих при распределении тактовых сигналов, DLL создает новые возможности управления функци­ями синхронизации. Модуль DLL может создавать четыре квадратурные фазы из исходного источника синхросигнала; удваивать частоту синхро­сигнала или делить эту частоту на 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 8 или 16.

Модуль DLL также функционирует как тактовое зеркало. Путем выво­да из микросхемы сигнала с выхода DLL и последующего ввода этого сиг­нала снова внутрь кристалла, схема DLL может устранить разбег фаз для тактовых сигналов на уровне печатной платы, при работе с несколькими устройствами Virtex.

Чтобы гарантировать, что системная синхронизация будет нормально функционировать до момента окончания конфигурирования системы и на­чала штатной работы, схема DLL имеет возможность задерживать процесс конфигурирования до нормальной синхронизации с системой.

4.6. Периферийное сканирование (ПС)

Микросхемы Virtex поддерживают команды периферийного сканирова­ния, приведенные в спецификации стандарта IEЕЕ 1149.1. Порт Test Access Port (TAP) и регистры реализованы для выполнения команд Extest, INTEST, Sample/Preload, Bypass, IDCODE, USERCODE и HIGHZ. Кроме того, порт ТАР поддерживает две внутренние сканирующие цепочки и поз­воляет загрузить/считать конфигурацию кристалла.

Порт ТАР использует предопределенные контакты микросхемы и LVTTL уровни сигналов. Для того чтобы выход TDO выдавал сигналы на уровнях LVTTL, на контакт  второго банка должно быть подано на­пряжение 3.3 В. В противном случае напряжение на выходе ТDО будет ме­няться в пределах от нуля до .

Операции периферийного сканирования не зависят от конкретных кон­фигураций блоков ввода-вывода и типа корпуса. Все блоки ввода-вывода, включая неподключенные к контактам, рассматриваются как независимые двунаправленные контакты с тремя состояниями, в единой цепочке скани­рования. Сохранение возможности осуществлять двунаправленное тести­рование после конфигурирования облегчает тестирование внешних меж­соединений.

В Табл. 7 приведены команды периферийного сканирования, поддержи­ваемые кристаллами Virtex. Внутренние сигналы могут быть проанализи­рованы в процессе выполнения команды Extest посредством подключения их к неиспользуемым выходам блоков ввода-вывода, либо к блокам ввода-вывода, не присоединенным к контактам. Они могут быть также подсоеди­нены к неиспользуемым выходам блоков ввода-вывода, которые определе­ны как однонаправленные входные контакты.

Таблица 7. Инструкции периферийного сканирования

Страницы: 1, 2, 3, 4