Особенности и основные характеристики плис семейств Spartan–3a и Spartan–3an
Семейства Spartan–3A и Spartan–3AN представляют собой дальнейшее развитие серии ПЛИС Spartan–3. Поэтому кристаллам этих семейств присуще большинство характерных особенностей ПЛИС предшествующих семейств этой серии. В состав архитектуры кристаллов семейств Spartan–3A и Spartan–3AN входят те же структурные элементы, что и в выпускаемые ранее ПЛИС серии Spartan–3. Основное архитектурное отличие кристаллов последних семейств проявляется в оптимизированной системе программируемых блоков ввода/вывода (Input/Output block, IOB). Кроме того, данные кристаллы обладают рядом преимуществ по сравнению с ПЛИС семейств Spartan–3 и Spartan–3E. Наиболее важными особенностями кристаллов семейств Spartan–3A и Spartan–3AN являются:
наличие уникального идентификационного кода DNA у каждого кристалла, который существенно упрощает организацию защиты от копирования создаваемых проектов;
использование усовершенствованной технологии Select I/O, позволяющей поддерживать расширенный спектр однополюсных и дифференциальных цифровых сигнальных стандартов ввода/вывода, общее число которых увеличено до 26;
поддержка в полном объеме стандартов ввода/вывода с реальными уровнями сигналов 3,3 В;
возможность осуществления передачи данных с удвоенной скоростью Double Data Rate в соответствии со спецификацией DDR2, открывающая широкие перспективы для реализации высокоскоростных интерфейсов со скоростью передачи данных до 400 Мбит/с;
применение встроенных модернизированных аппаратных умножителей с возможностью конвейерной организации выполнения операций вычисления произведения 18–разрядных значений, позволяющих добиться повышения производительности разрабатываемых устройств цифровой обработки сигналов;
применение специального режима управления уровнем потребляемой мощности;
полное соответствие условиям реализации функции «горячей замены» (Hot Swap);
применение модулей блочной памяти с поддержкой режима побайтной записи, повышающего эффективность их использования в составе встраиваемых систем, реализуемых на базе конфигурируемых микропроцессорных ядер семейств PicoBlaze [1–4], MicroBlaze [1, 5–8];
наличие сторожевого таймера CWDT (configuration watchdog timer), обеспечивающего автоматическое возобновление процесса конфигурирования ПЛИС при возникновении ошибок;
возможность применения в ряде случаев одного источника напряжения для питания выходных каскадов блоков ввода/вывода (шины VCCO) и специализированных ресурсов ПЛИС (шины VCCAUX).
Внедрение новых технологических решений в ПЛИС семейств Spartan–3A и Spartan–3AN предоставляет пользователям возможность значительного снижения уровня потребляемой мощности. В кристаллах этих семейств кроме «спящего» режима (Hibernate Mode) предусмотрен «приостановленный» режим (Suspend Mode). При переходе в «приостановленный» режим (режим пониженного энергопотребления) в кристалле полностью сохраняется конфигурационная информация, а также текущее состояние всех внутренних элементов (триггеров, сдвиговых регистров, ОЗУ). Кроме того, разработчику предоставляется возможность определения состояния для каждого пользовательского вывода ПЛИС в этом режиме с помощью соответствующих выражений ограничений. Таким образом, в режиме пониженного энергопотребления Suspend Mode сохраняется текущее состояние реализуемого устройства, в котором оно находилось в момент перехода в этот режим. Переключение между активным и «приостановленным» режимами осуществляется подачей соответствующего уровня сигнала на специальный вывод ПЛИС, который имеет условное обозначение SUSPEND. Время возврата кристалла в активное состояние составляет менее 500 мкс. Применение приостановленного режима позволяет добиться сокращения потребляемой мощности в статике до 40%. Для вычисления оценки потребляемой мощности устройствами, выполняемыми на основе ПЛИС семейств Spartan–3A и Spartan–3AN, можно использовать программные средства XPower Power Estimator, а также программу XPower Analyzer, которая входит в состав САПР серии Xilinx ISE (Integrated Software Environment/Integrated Synthesis Environment)[9].
ПЛИС семейства Spartan–3AN отличаются от кристаллов семейства Spartan–3A наличием интегрированной конфигурационной энергонезависимой Flash–памяти. Размещение конфигурационного ППЗУ в одном корпусе с кристаллом FPGA позволяет дополнительно повысить уровень защищенности разрабатываемых проектов. Такое решение исключает возможность считывания конфигурационной последовательности в процессе ее загрузки в ПЛИС. Кроме того, каждый элемент интегрированной Flash–памяти в ПЛИС семейства Spartan–3AN имеет уникальный идентификационный код — Factory Flash ID, который устанавливается производителем. Тем самым предоставляется дополнительная степень защиты от копирования конфигурационных данных пользовательских проектов. Еще одно преимущество этих ПЛИС — сокращение площади печатной платы разрабатываемых устройств за счет исключения дополнительного корпуса внешней конфигурационной памяти и упрощения процесса трассировки.
В состав каждого из семейств Spartan–3A и Spartan–3AN входят пять типов ПЛИС, содержащих от 1584 до 25 344 логических ячеек (от 50 000 до 1,4 млн системных вентилей). Основные параметры кристаллов рассматриваемых семейств, которые отражают информацию об объеме доступных ресурсов различного типа, представлены в таблице 1.
|
Основные особенности семейства Spartan-6:
Два подсемейства, включающие 13 кристаллов:
LX: оптимизировано для выполнения логических функций
LXT: оптимизировано под высокоскоростные последовательные интерфейсы
Технология производства: 45 нм к-МОП
Напряжение питания ядра: 1,2 В или 1,0 В (только LX, с классом быстродействия 1L)
Низкое энергопотребление в статике и динамике:
60% снижение статического потребления (по сравнению с Spartan®-3A)
50% снижение динамического потребления (по сравнению с Spartan®-3A)
Поддержка большого количества стандартов ввода-вывода:
Прием/передача данных со скоростью 1050 Мбит/с по каждой дифференциальной паре контактов
Поддержка 1,2 В-3,3 В стандартов ввода-вывода
Программируемый ток выходных каскадов до 24 мА
Поддержка функции «Горячей» замены
Новая логическая ячейка с 6-ти входовым LUT и двумя триггерами
Большое количество аппаратных ядер:
GTP – 3,125 Гбит/с приёмо-передатчики (только LXT)
Модуль 1-lane PCI Express v 1.1 (только LXT)
DSP48A1 – блок цифровой обработки сигналов, состоящий из 18x18 умножителя, 48-бит аккумулятора, предсумматора и регистров для конвейеризации
Контроллер памяти DDR, DDR2, DDR3, обеспечивающий полосу пропускания до 12,8 Гбит/с
Block RAM – блок памяти емкостью 18 кбит, который можно сконфигурировать как два блока по 9 кбит
CMT – блок управления и синтеза сигналов синхронизации
Защита проекта от копирования:
Уникальный идентификационный номер кристалла – DNA
Шифрование конфигурационной последовательности по алгоритму AES
Основные параметры кристалов семейства Spartan-6 представленый в таблице
Лекция 14. ПЛИС серии Virtex 4
Семейство Virtex-4 было анонсировано фирмой Xilinx в июне 2004 года, и нужно сказать, что новый продукт заставляет в какой-то мере пересмотреть позиции в отношении ПЛИС вообще и высокопроизводительных ПЛИС в частности. Прежде всего, 90-нанометровый техпроцесс (который ранее был использован в ПЛИС Spartan-3, доступных уже с начала 2004 года) позволил в полной мере использовать возможности самой современной производственной базы. Это означает как высокие частоты, так и большую плотность компонентов на кристалле. Кроме того, использование 300-миллиметровых пластин позволило Xilinx существенно уменьшить цены на новое семейство (от $39 за штуку в партиях). Повышение максимальной тактовой частоты, увеличение логического объема и снижение цены вообще является обычным для производителей ПЛИС, и в случае Virtex-4 позволяет по-новому взглянуть на перспективы использования данного семейства. В обзоре Xilinx, посвященному Virtex-4, указывается, что за последнее десятилетие объем ПЛИС увеличился в 250 раз, рабочие частоты — в 25, пропускная способность памяти — в 800, а пропускная способность внешних интерфейсов — в 1000. Одновременно с этим нормализованная стоимость ПЛИС уменьшилась в 300 раз.
Немаловажным нововведением является разделение нового семейства на 3 подгруппы. Подгруппа LX ориентирована на преимущественное использование в проектах логических ячеек (хотя блоки цифровой обработки сигналов имеются в этих ПЛИС в достаточном количестве), устройства SX предназначены для обработки сигналов и предоставляют очень большое для ПЛИС количество блоков DSP. Наконец, к подгруппе FX относятся «полнофункциональные» (Full-featured) ПЛИС, имеющие на кристалле процессорные ядра PowerPC, аналогичные используемым в Virtex-II Pro. Однако дополнительные устройства, имеющиеся только в Virtex-4 FX, заслуживают отдельного упоминания. Прежде всего, это модули Ethernet со скоростями 10/100/1000 Мбит/с. Плюсы размещения этих модулей на кристалле очевидны — обеспечивается высокая скорость обмена (что тем более актуально для ПЛИС большого объема, интенсивно обрабатывающих потоки данных), уменьшается количество внешних компонентов, повышается общая надежность системы. Наконец, добавлено устройство, которое можно считать знаковым в мире FPGA — аналого-цифровой преобразователь. Конечно, программируемые аналоговые устройства существуют уже достаточно давно (например, среди продукции фирм Cypress и Lattice), однако помещение АЦП на кристалл большой логической емкости открывает совершенно иные перспективы. Следует отметить, что блоки АЦП пока размещаются только в старших устройствах Virtex-4 FX, имеют разрядность 10 бит и скорость преобразования 200 kSps. Таким образом, эти АЦП подходят больше для мониторинга параметров системы, чем для сколько-нибудь производительных и точных измерений. Можно заметить, что для мониторинга в этих ПЛИС предусмотрен отдельный аппаратно реализованный блок.
Соотношение между имеющимися ресурсами можно проиллюстрировать материалами с сайта Xilinx, где наглядно показывается принцип выбора соотношения ресурсов в ПЛИС Virtex-4 (рис. 2).
Рис. 2
Концепция «системы-на-кристалле» имеет очень важное преимущество с точки зрения быстрой разработки устройств. Давно известно, что технология ПЛИС обеспечивает существенное сокращение сроков разработки и внесения изменений в готовый проект за счет сквозного маршрута проектирования и программирования устройств. В проектах типа «микроконтроллер + ПЛИС + память + аналоговые устройства» этим обеспечивалось ускорение проектирования по крайней мере одного из компонентов. Однако современные ПЛИС Virtex уже сейчас обеспечивают размещение на кристалле процессора, матрицы программируемых ячеек и памяти достаточно большого объема. Таким образом, в рамках одного устройства оказывается возможным реализовать практически всю цифровую часть проекта.
Здесь можно добавить, что внутрикристальные соединения обеспечивают как более высокую скорость обмена данными, так и большую надежность по сравнению с печатными проводниками, соединяющими ПЛИС с другими цифровыми компонентами. Соответственно, существенно облегчается решение целого ряда технологических проблем, связанных с проектированием печатных плат.
Характеристики ПЛИС Virtex-4 приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Лекция 15. Virtex-5, Virtex-5 FXT.