micro-proger.ru

Архитектура ПЛИС (FPGA)

Подробности

Категория: Разное

Создано 20 Январь 2014

Автор: Николай Ковач

Просмотров: 141045

FPGA – это сокращение от английского словосочетания Field Programmable Gate Array.

ПЛИС – это сокращение от словосочетания «Программируемая Логическая Интегральная Схема». Слово ПЛИС встречается в русскоязычных документациях и описаниях вместо слова FPGA. Далее по тексту в основном будет использоваться этот термин — ПЛИС.
 
ПЛИС и FPGA – это аббревиатуры, обозначающие один и тот же класс электронных компонентов, микросхем. Это микросхемы, применяемые для создания собственной структуры цифровых интегральных схем.

Логика работы ПЛИС определяется не на фабрике изготовителем микросхемы, а путем дополнительного программирования (в полевых условиях, field-programmable) с помощью специальных средств: программаторов и программного обеспечения.

Микросхемы ПЛИС – это не микропроцессоры, в которых пользовательская программа выполняется последовательно, команда за командой. В ПЛИС реализуется именно электронная схема, состоящая из логики и триггеров.

Проект для ПЛИС может быть разработан, например, в виде принципиальной схемы. Еще существуют специальные языки описания аппаратуры типа Verilog или VHDL.

В любом случае, и графическое и текстовое описание проекта реализует цифровую электронную схему, которая в конечном счете будет «встроена» в ПЛИС.

Обычно, сама микросхема ПЛИС состоит из:

• конфигурируемых логических блоков, реализующих требуемую логическую функцию;
• программируемых электронных связей между конфигурируемыми логическими блоками;
• программируемых блоков ввода/вывода, обеспечивающих связь внешнего вывода микросхемы с внутренней логикой.

Строго говоря это не полный список. В современных ПЛИС часто бывают встроены дополнительно блоки памяти, блоки DSP или умножители, PLL и другие компоненты. Здесь, в этой статье я их рассматривать не буду.

Разработчик проекта для ПЛИС обычно абстрагируется от внутреннего устройства конкретной микросхемы. Он просто описывает желаемую логику работы «своей» будещей микросхемы в виде схемы или текста на Verilog/ VHDL. Компилятор, зная внутреннее устройство ПЛИС сам пытается разместить требуемую схему по имеющимся конфигурируемым логическим блокам и пытается соединить эти блоки с помощью имеющихся программируемых электронных связей. В общем случае размещение и трассировка связей между логическими блоками в ПЛИС остается за компилятором.

Классификация ПЛИС по типу хранения конфигурации.

SRAM-Based.
Это одна из самых распространенных разновидностей ПЛИС. Конфигурация ПЛИС хранится ячейках статической памяти, изготовленной по стандартной технологии CMOS.
Достоинство этой технологии – возможность многократного перепрограммирования ПЛИС. Недостатки – не самое высокое быстродействие, после включения питания прошивку нужно вновь загружать. Значит на плате должен еще стоять загрузчик, специальная микросхема FLASH или микроконтроллер – все это удорожает конечное изделие.

Flash-based.
В таких микросхемах хранение конфигурации происходит во внутренней FLASH памяти или памяти типа EEPROM. Такие ПЛИС лучше тем, что при выключении питания прошивка не пропадает. После подачи питания микросхема опять готова к работе. Однако, у этого типа ПЛИС есть и свои недостатки. Реализация FLASH памяти внутри CMOS микросхемы – это не очень просто. Требуется совместить два разных техпроцесса для производства таких микросхем. Значит они получаются дороже. Кроме того, такие микросхемы, как правило, имеют ограниченное количество циклов перезаписи конфигурации.

Antifuse.
Специальная технология по которой выполняются однократно программируемые ПЛИС. Программирование такой ПЛИС заключается в расплавлении в нужных местах чипа специальных перемычек для образования нужной схемы.
Недостаток – собственно программировать / прошивать чип можно только один раз. После этого исправить уже ничего нельзя. Сам процесс прошивки довольно не быстрый. Зато есть масса достоинств у таких ПЛИС: они довольно быстрые (могут работать на больших частотах), меньше подвержены сбоям при радиации – все из-за того, что конфигурация получается в виде перемычек, а не в виде дополнительной логики, как у SRAM-based.

Конфигурируемые логические блоки.

В документации компании Альтера встречается выражение Logic Array Block (LAB) – массив логики. У компании Xilinx в микросхемах ПЛИС есть примерно такие же блоки — Configurable Logic Block (CLB). Конфигурируемый логический блок – это базовый элемент в ПЛИС, в нем может быть выполнена какая-то простая логическая функция или реализовано хранение результата вычисления в регистрах (триггерах).

Сложность и структура конфигурируемого логического блока (CLB) определяется производителем.

Теоретически, конфигурируемый логический блок может быть, например, очень простым, просто как отдельный транзистор. Или он может быть очень сложным, как целый процессор. Это крайние точки реализации.

В первом случае потребуется огромное число программируемых связей, чтобы потом из отдельных транзисторов собрать требуемую схему. Во втором случае связей может нужно и не так много, но теряется гибкость проектирования пользовательской схемы.

Именно поэтому конфигурируемый блок обычно представляет из себя что-то среднее: он обычно достаточно сложен, чтобы можно было бы зашить туда некоторую функцию, но и довольно мал, чтобы разместить множество таких блоков внутри ПЛИС и чтобы была возможность связать их в единую схему.

Таким образом, выбор структуры конфигурируемого логического блока производителем ПЛИС – это всегда поиск компромиса по площади кристалла, по быстродействию, энергопотреблению и так далее.

Конфигурируемый логический блок может состоять из одного или нескольких базовых логических элементов. В англоязычной литературе это Basic Logic Element (BLE) или просто Logic Element  (LE). В ПЛИС обычно используются так называемые LUT-based базовые логические элементы. Что-то вроде этого:

Рис. 1. Пример традиционного базового логического элемента.

LUT – это Look-Up Table, таблица преобразования. Например, на Рис.1 показан четырехбитный LUT в составе базового логического блока. Здесь четырехбитному числу на входе логической функции ставится в соответствие однобитный результат. Красные квадратики на Рис. 1 обозначают программируемый элемент, регистр – это та память, где хранится прошивка для ПЛИС. Видно, что для конфигурации 4-х битного LUT требуется 16 конфигурационных регистра. Содержимое этих регистров определяют логическую функцию, реализованную внутри  базового логического элемента.

Еще один конфигурационный регистр (на Рис. 1 это одиночный красный квадратик справа) определяет нужно ли на выход базового логического элемента выдавать прямо значение с LUT или нужно выдать зафиксированное в D-триггере значение с LUT. Фиксация и хранение данных в цифровых схемах нужна практически в любом проекте.

Примерно такой логический элемент использовался в моем экспериментальном проекте «ПЛИС внутри ПЛИС».

Рассматривая Рис. 1 как пример традиционного базового логического элемента понимаешь какая избыточность заложена внутрь современного кристалла ПЛИС (SRAM-based). Ведь в самом деле, конфигурационные регистры (красные квадратики) прямо не доступны для использования в цифровом проекте. Они только служат для формирования пользовательской функции. Для одного D-триггера в пользовательском проекте требуется более 16 (иногда много больше) триггеров для хранения конфигурации ПЛИС.

На самом деле базовый логический элемент в разных ПЛИС оказывается гораздо сложнее, чем показано на Рис. 1. Ниже есть некоторые примеры из документации на разные типы ПЛИС.

Рис. 2. Базовый логический элемент CPLD MAX II компании Альтера.

Здесь хорошо видны LUT и D-Триггер хранения результата. Ниже, на Рис. 3 представлен базовый элемент Cyclone III.

Рис. 3. Базовый логический элемент FPGA Cyclone III компании Альтера.

В микросхемах Альтеры в одном LAB может содержаться 10-16 LE.

В микросхемах компании Xilinx Virtex-6 базовый логический элемент – это так называемый Slice. В одном CLB всего два Slice. Зато один Slice – это довольно сложное устройство:

Рис. 4. Базовый элемент Xilinx Virtex-6 Slice.

В одном CLB Virtex-6 имеется 8 LUT и 16 D-Триггеров и еще кое-что плюс к этому. Вот так все сложно.

Другая крайность – микросхемы FPGA компании Microsemi (бывшая Actel).
Например, в микросхемах серии 40MX базовый логический элемент выглядит вот так:

Рис. 5. Logic Module of Microsemi 40MX serie.

Восемь входов и один выход.
Здесь нет ни Look-Up Table, ни даже D-Триггера. Триггера, как и остальная логика, формируются где нужно из вот таких крошечных кирпичиков – Logic Module.

Почему у разных компаний получилась такая большая разница в реализации базового логического элемента? Видимо в микросхемах Microsemi связь между базовыми блоками обходится гораздо дешевле: серия 40MX является однократно программируемой. В ней межблочные связи «проплавляются» между соединяющими дорожками и позже не могут быть изменены. Нет никаких регистров для временного хранения прошивки. Здесь нет программируемых переключателей, мультиплексоров, как в FPGA других типов. Ну микросхемы компании Microsemi — это несколько особый случай. Это технология называется antifuse – для производства таких микросхем используется модифицированный техпроцесс CMOS с дополнительными слоями для организации межблочных связей.

Программируемые связи между логическими блоками.

Чтобы в ПЛИС заработала нужная нам цифровая схема мало того, что нужно сконфигурировать имеющиеся логические блоки особым образом, еще нужно создать, запрограммировать связи между логическими блоками.

Для этого в ПЛИС имеются специальные конфигурируемые коммутаторы.

В англоязычной документации встречаются следующие термины: FPGA Routing Architecture и Programmable Routing Interconnect. Это все об этом, о программируемых связях между логическими блоками.

Известно две основных методики построения ПЛИС по типу архитектуры связей: островная и иерархическая.

Рис. 6. Островная ПЛИС.

Островная ПЛИС называется так потому, что конфигурируемые блоки все равны между собой и находятся, как острова в океане, между узлами коммутации и линиями связи.

Здесь, на Рис. 6 обозначаются CB – Connection Box и SB – Switch Box. В сущности это программируемые мультиплексоры, подключающие тот или иной CLB к другому CLB через цепочки проводов в ПЛИС.

Это island-style FPGA или mesh-based FPGA. Типичный пример таких микросхем – это серии Altera Cyclone и Stratix.

Второй известный тип ПЛИС – это иерархические ПЛИС. Здесь идет расчет на то, что в схеме всегда есть участки которые взаимодействуют друг с другом более тесно, чем с отдаленными модулями проекта.

Рис. 7. Иерархическая ПЛИС.

Здесь близлежащие CLB соединить довольно просто, нужно не много коммутаторов и получающиеся связи работают быстро. Вот если нужен более крупный блок вычислителей, то сигнал должен выйти на более высокий уровень иерархии и потом зайти вглубь в соседнюю «комнату».

Нельзя сказать, что это существенно хуже, чем island-style. Просто каждый метод имеет свои плюсы и минусы.

Типичные представители иерархических ПЛИС – это микросхемы компании Альтера серии Flex10K, APEX.

Программное обеспечение для проектирования ПЛИС.

Программное обеспечение для проектирования ПЛИС, а именно компилятор (синтезатор логики и фиттер и ассемблер) – это, возможно, самая сложная часть всей ПЛИС технологии.

Компилятор должен проанализировать пользовательский проект (схемы и текстовые описания на Verilog HDL или VHDL ) и сгенерировать нетлист (netlist) – список всех элементов схемы и связи между ними. Netlist должен быть оптимизирован – логические функции нужно минимизировать, возможные дублированные регистры нужно удалить.

Затем компилятор должен вместить всю логику из netlist в имеющуюся архитектуру ПЛИС. Это делает фиттер (fitter). Он размещает логические элементы и выполняет трассировку связей между ними (процесс place and route). Сложность состоит в том, что один и тот же проект может быть размещен в ПЛИС разными способами и этих способов миллионы. Некоторое размещение и трассировка оказываются лучше, другие хуже. Главный критерий качества полученной системы – максимальная частота, на которой сможет работать проект при данном размещении элементов и при данной трассировке связей. Здесь оказывает влияние длина связей между логическими блоками и количество программируемых коммутаторов между ними.

Компилятор, зная архитектуру ПЛИС по результатам работы дополнительно выдает отчет о времени прохождении сигналов от регистра до регистра. Эта информация часто бывает полезной для разработчика высокопроизводительных систем. Разработчик для ПЛИС имеет возможность давать некоторые советы компилятору где, в каком месте кристалла лучше разместить тот или иной модуль проекта.

Выбирая для своего проекта, для своей платы конкретную микросхемы ПЛИС разработчик в некоторой мере попадает в зависимость от производителя этой ПЛИС, так как должен в работе пользоваться программным обеспечением от этого же производителя.

Программное обеспечение компании Альтера: Quartus II.
ПО Xilinx для проектирования для ПЛИС: ISE Suite, Vivaldo Design Suite.
ПО компании Microsemi: Libero IDE, Libero SoC.

Возможно, программное обеспечение, компиляторы для ПЛИС – это важнейшая составляющая интеллектуальной собственности компаний производителей ПЛИС.

На страницах нашего сайта https://marsohod.org мы уделяем внимание прежде всего проектированию систем на базе ПЛИС компании Альтера и пользуемся средой разработки Altera Quartus II.

Добавить комментарий

marsohod.org

Архитектура ПЛИС (FPGA)

Подробности

Категория: Разное

Создано 20 Январь 2014

Автор: Николай Ковач

Просмотров: 141045

FPGA – это сокращение от английского словосочетания Field Programmable Gate Array.

ПЛИС – это сокращение от словосочетания «Программируемая Логическая Интегральная Схема». Слово ПЛИС встречается в русскоязычных документациях и описаниях вместо слова FPGA. Далее по тексту в основном будет использоваться этот термин — ПЛИС.
 
ПЛИС и FPGA – это аббревиатуры, обозначающие один и тот же класс электронных компонентов, микросхем. Это микросхемы, применяемые для создания собственной структуры цифровых интегральных схем.

Логика работы ПЛИС определяется не на фабрике изготовителем микросхемы, а путем дополнительного программирования (в полевых условиях, field-programmable) с помощью специальных средств: программаторов и программного обеспечения.

Микросхемы ПЛИС – это не микропроцессоры, в которых пользовательская программа выполняется последовательно, команда за командой. В ПЛИС реализуется именно электронная схема, состоящая из логики и триггеров.

Проект для ПЛИС может быть разработан, например, в виде принципиальной схемы. Еще существуют специальные языки описания аппаратуры типа Verilog или VHDL.

В любом случае, и графическое и текстовое описание проекта реализует цифровую электронную схему, которая в конечном счете будет «встроена» в ПЛИС.

Обычно, сама микросхема ПЛИС состоит из:

• конфигурируемых логических блоков, реализующих требуемую логическую функцию;
• программируемых электронных связей между конфигурируемыми логическими блоками;
• программируемых блоков ввода/вывода, обеспечивающих связь внешнего вывода микросхемы с внутренней логикой.

Строго говоря это не полный список. В современных ПЛИС часто бывают встроены дополнительно блоки памяти, блоки DSP или умножители, PLL и другие компоненты. Здесь, в этой статье я их рассматривать не буду.

Разработчик проекта для ПЛИС обычно абстрагируется от внутреннего устройства конкретной микросхемы. Он просто описывает желаемую логику работы «своей» будещей микросхемы в виде схемы или текста на Verilog/ VHDL. Компилятор, зная внутреннее устройство ПЛИС сам пытается разместить требуемую схему по имеющимся конфигурируемым логическим блокам и пытается соединить эти блоки с помощью имеющихся программируемых электронных связей. В общем случае размещение и трассировка связей между логическими блоками в ПЛИС остается за компилятором.

Классификация ПЛИС по типу хранения конфигурации.

SRAM-Based.
Это одна из самых распространенных разновидностей ПЛИС. Конфигурация ПЛИС хранится ячейках статической памяти, изготовленной по стандартной технологии CMOS.
Достоинство этой технологии – возможность многократного перепрограммирования ПЛИС. Недостатки – не самое высокое быстродействие, после включения питания прошивку нужно вновь загружать. Значит на плате должен еще стоять загрузчик, специальная микросхема FLASH или микроконтроллер – все это удорожает конечное изделие.

Flash-based.
В таких микросхемах хранение конфигурации происходит во внутренней FLASH памяти или памяти типа EEPROM. Такие ПЛИС лучше тем, что при выключении питания прошивка не пропадает. После подачи питания микросхема опять готова к работе. Однако, у этого типа ПЛИС есть и свои недостатки. Реализация FLASH памяти внутри CMOS микросхемы – это не очень просто. Требуется совместить два разных техпроцесса для производства таких микросхем. Значит они получаются дороже. Кроме того, такие микросхемы, как правило, имеют ограниченное количество циклов перезаписи конфигурации.

Antifuse.
Специальная технология по которой выполняются однократно программируемые ПЛИС. Программирование такой ПЛИС заключается в расплавлении в нужных местах чипа специальных перемычек для образования нужной схемы.
Недостаток – собственно программировать / прошивать чип можно только один раз. После этого исправить уже ничего нельзя. Сам процесс прошивки довольно не быстрый. Зато есть масса достоинств у таких ПЛИС: они довольно быстрые (могут работать на больших частотах), меньше подвержены сбоям при радиации – все из-за того, что конфигурация получается в виде перемычек, а не в виде дополнительной логики, как у SRAM-based.

Конфигурируемые логические блоки.

В документации компании Альтера встречается выражение Logic Array Block (LAB) – массив логики. У компании Xilinx в микросхемах ПЛИС есть примерно такие же блоки — Configurable Logic Block (CLB). Конфигурируемый логический блок – это базовый элемент в ПЛИС, в нем может быть выполнена какая-то простая логическая функция или реализовано хранение результата вычисления в регистрах (триггерах).

Сложность и структура конфигурируемого логического блока (CLB) определяется производителем.

Теоретически, конфигурируемый логический блок может быть, например, очень простым, просто как отдельный транзистор. Или он может быть очень сложным, как целый процессор. Это крайние точки реализации.

В первом случае потребуется огромное число программируемых связей, чтобы потом из отдельных транзисторов собрать требуемую схему. Во втором случае связей может нужно и не так много, но теряется гибкость проектирования пользовательской схемы.

Именно поэтому конфигурируемый блок обычно представляет из себя что-то среднее: он обычно достаточно сложен, чтобы можно было бы зашить туда некоторую функцию, но и довольно мал, чтобы разместить множество таких блоков внутри ПЛИС и чтобы была возможность связать их в единую схему.

Таким образом, выбор структуры конфигурируемого логического блока производителем ПЛИС – это всегда поиск компромиса по площади кристалла, по быстродействию, энергопотреблению и так далее.

Конфигурируемый логический блок может состоять из одного или нескольких базовых логических элементов. В англоязычной литературе это Basic Logic Element (BLE) или просто Logic Element  (LE). В ПЛИС обычно используются так называемые LUT-based базовые логические элементы. Что-то вроде этого:

Рис. 1. Пример традиционного базового логического элемента.

LUT – это Look-Up Table, таблица преобразования. Например, на Рис.1 показан четырехбитный LUT в составе базового логического блока. Здесь четырехбитному числу на входе логической функции ставится в соответствие однобитный результат. Красные квадратики на Рис. 1 обозначают программируемый элемент, регистр – это та память, где хранится прошивка для ПЛИС. Видно, что для конфигурации 4-х битного LUT требуется 16 конфигурационных регистра. Содержимое этих регистров определяют логическую функцию, реализованную внутри  базового логического элемента.

Еще один конфигурационный регистр (на Рис. 1 это одиночный красный квадратик справа) определяет нужно ли на выход базового логического элемента выдавать прямо значение с LUT или нужно выдать зафиксированное в D-триггере значение с LUT. Фиксация и хранение данных в цифровых схемах нужна практически в любом проекте.

Примерно такой логический элемент использовался в моем экспериментальном проекте «ПЛИС внутри ПЛИС».

Рассматривая Рис. 1 как пример традиционного базового логического элемента понимаешь какая избыточность заложена внутрь современного кристалла ПЛИС (SRAM-based). Ведь в самом деле, конфигурационные регистры (красные квадратики) прямо не доступны для использования в цифровом проекте. Они только служат для формирования пользовательской функции. Для одного D-триггера в пользовательском проекте требуется более 16 (иногда много больше) триггеров для хранения конфигурации ПЛИС.

На самом деле базовый логический элемент в разных ПЛИС оказывается гораздо сложнее, чем показано на Рис. 1. Ниже есть некоторые примеры из документации на разные типы ПЛИС.

Рис. 2. Базовый логический элемент CPLD MAX II компании Альтера.

Здесь хорошо видны LUT и D-Триггер хранения результата. Ниже, на Рис. 3 представлен базовый элемент Cyclone III.

Рис. 3. Базовый логический элемент FPGA Cyclone III компании Альтера.

В микросхемах Альтеры в одном LAB может содержаться 10-16 LE.

В микросхемах компании Xilinx Virtex-6 базовый логический элемент – это так называемый Slice. В одном CLB всего два Slice. Зато один Slice – это довольно сложное устройство:

Рис. 4. Базовый элемент Xilinx Virtex-6 Slice.

В одном CLB Virtex-6 имеется 8 LUT и 16 D-Триггеров и еще кое-что плюс к этому. Вот так все сложно.

Другая крайность – микросхемы FPGA компании Microsemi (бывшая Actel).
Например, в микросхемах серии 40MX базовый логический элемент выглядит вот так:

Рис. 5. Logic Module of Microsemi 40MX serie.

Восемь входов и один выход.
Здесь нет ни Look-Up Table, ни даже D-Триггера. Триггера, как и остальная логика, формируются где нужно из вот таких крошечных кирпичиков – Logic Module.

Почему у разных компаний получилась такая большая разница в реализации базового логического элемента? Видимо в микросхемах Microsemi связь между базовыми блоками обходится гораздо дешевле: серия 40MX является однократно программируемой. В ней межблочные связи «проплавляются» между соединяющими дорожками и позже не могут быть изменены. Нет никаких регистров для временного хранения прошивки. Здесь нет программируемых переключателей, мультиплексоров, как в FPGA других типов. Ну микросхемы компании Microsemi — это несколько особый случай. Это технология называется antifuse – для производства таких микросхем используется модифицированный техпроцесс CMOS с дополнительными слоями для организации межблочных связей.

Программируемые связи между логическими блоками.

Чтобы в ПЛИС заработала нужная нам цифровая схема мало того, что нужно сконфигурировать имеющиеся логические блоки особым образом, еще нужно создать, запрограммировать связи между логическими блоками.

Для этого в ПЛИС имеются специальные конфигурируемые коммутаторы.

В англоязычной документации встречаются следующие термины: FPGA Routing Architecture и Programmable Routing Interconnect. Это все об этом, о программируемых связях между логическими блоками.

Известно две основных методики построения ПЛИС по типу архитектуры связей: островная и иерархическая.

Рис. 6. Островная ПЛИС.

Островная ПЛИС называется так потому, что конфигурируемые блоки все равны между собой и находятся, как острова в океане, между узлами коммутации и линиями связи.

Здесь, на Рис. 6 обозначаются CB – Connection Box и SB – Switch Box. В сущности это программируемые мультиплексоры, подключающие тот или иной CLB к другому CLB через цепочки проводов в ПЛИС.

Это island-style FPGA или mesh-based FPGA. Типичный пример таких микросхем – это серии Altera Cyclone и Stratix.

Второй известный тип ПЛИС – это иерархические ПЛИС. Здесь идет расчет на то, что в схеме всегда есть участки которые взаимодействуют друг с другом более тесно, чем с отдаленными модулями проекта.

Рис. 7. Иерархическая ПЛИС.

Здесь близлежащие CLB соединить довольно просто, нужно не много коммутаторов и получающиеся связи работают быстро. Вот если нужен более крупный блок вычислителей, то сигнал должен выйти на более высокий уровень иерархии и потом зайти вглубь в соседнюю «комнату».

Нельзя сказать, что это существенно хуже, чем island-style. Просто каждый метод имеет свои плюсы и минусы.

Типичные представители иерархических ПЛИС – это микросхемы компании Альтера серии Flex10K, APEX.

Программное обеспечение для проектирования ПЛИС.

Программное обеспечение для проектирования ПЛИС, а именно компилятор (синтезатор логики и фиттер и ассемблер) – это, возможно, самая сложная часть всей ПЛИС технологии.

Компилятор должен проанализировать пользовательский проект (схемы и текстовые описания на Verilog HDL или VHDL ) и сгенерировать нетлист (netlist) – список всех элементов схемы и связи между ними. Netlist должен быть оптимизирован – логические функции нужно минимизировать, возможные дублированные регистры нужно удалить.

Затем компилятор должен вместить всю логику из netlist в имеющуюся архитектуру ПЛИС. Это делает фиттер (fitter). Он размещает логические элементы и выполняет трассировку связей между ними (процесс place and route). Сложность состоит в том, что один и тот же проект может быть размещен в ПЛИС разными способами и этих способов миллионы. Некоторое размещение и трассировка оказываются лучше, другие хуже. Главный критерий качества полученной системы – максимальная частота, на которой сможет работать проект при данном размещении элементов и при данной трассировке связей. Здесь оказывает влияние длина связей между логическими блоками и количество программируемых коммутаторов между ними.

Компилятор, зная архитектуру ПЛИС по результатам работы дополнительно выдает отчет о времени прохождении сигналов от регистра до регистра. Эта информация часто бывает полезной для разработчика высокопроизводительных систем. Разработчик для ПЛИС имеет возможность давать некоторые советы компилятору где, в каком месте кристалла лучше разместить тот или иной модуль проекта.

Выбирая для своего проекта, для своей платы конкретную микросхемы ПЛИС разработчик в некоторой мере попадает в зависимость от производителя этой ПЛИС, так как должен в работе пользоваться программным обеспечением от этого же производителя.

Программное обеспечение компании Альтера: Quartus II.
ПО Xilinx для проектирования для ПЛИС: ISE Suite, Vivaldo Design Suite.
ПО компании Microsemi: Libero IDE, Libero SoC.

Возможно, программное обеспечение, компиляторы для ПЛИС – это важнейшая составляющая интеллектуальной собственности компаний производителей ПЛИС.

На страницах нашего сайта https://marsohod.org мы уделяем внимание прежде всего проектированию систем на базе ПЛИС компании Альтера и пользуемся средой разработки Altera Quartus II.

Добавить комментарий

marsohod.org

понятие, определение, правила программирования и основы для начинающих — RUUD

ПЛИС (FPGA) расшифровывается как «Field Programmable Gate Array» и представляет собой огромный массив вентилей, которые могут быть запрограммированы и перестроены в любое время и в любом месте. Многие пользователи до сих пор не понимают, что такое ПЛИС. «Огромный набор ворот» — упрощенное описание модели. Некоторые FPGA имеют встроенные жесткие блоки: контроллеры памяти, высокоскоростные коммуникационные интерфейсы и конечные точки PCIe. Внутри FPGA много вентилей, которые можно свободно соединить вместе. Принцип работы более или менее похож на подключение отдельных микросхем логических элементов. FPGA выпускаются ведущими компаниями мира Xilinx, Altera, и Microsemi.

История развития FPGA

Вам будет интересно:Способы проверки свободного места на диске Linux

Индустрия ПЛИС выросла из программируемой постоянной памяти PROM и логических устройств PLD. В 1970 г. Philips изобрел программируемую в полевых условиях матрицу. В конструкции такой ПЛИС, что состояла из двух планов, достигалась специфическая реализация логических схем: программируемая проводная «И» либо «ИЛИ». Это давало ей возможность реализации функции в виде Sum of Products.

Altera была создана в 1983 году, а уже в 1984 году выпустила первое в отрасли перепрограммируемое логическое устройство — EP300 с кварцевым окном в упаковке, что позволило использовать ультрафиолетовую лампу на матрице для удаления EPROM метки.

Чтобы преодолеть трудности стоимости и скорости, была разработана программируемая логика массива, в которую входил только один программируемый «И», вводимый в фиксированные «ИЛИ» ворота. PAL и PLA вместе с другими вариантами группируются как простые программируемые логические устройства SPLD. Такие ПЛИС, что интегрированы в один чип с предоставленными межсоединениями для программного соединения блоков, использовались для удовлетворения растущих технологических требований. Они названы комплексными PLD и разработаны Altera.

Вам будет интересно:Как отключить «Центр поддержки Windows 7» штатными средствами ОС

Транзисторы — другой класс электронных устройств, программируемых на основе масок массивов затворов. Они состоят из транзисторных массивов, которые могут быть подключены с помощью пользовательских проводов. Они уступили место логическим блокам, и теперь пользователь может выполнять настройку на месте, а не в производственной лаборатории.

Идея разработки первой коммерчески жизнеспособной ПЛИС принадлежит соучредителям Xilinx Россу Фримену и Бернарду Вондершмитту. XC2064 был изобретен в 1985 году и состоял из 64 настраиваемых логических блоков с 3-мя справочными таблицами. Он дает современное понимание, что такое ПЛИС. Это было в конце 1980 года, когда предложенный Стивом Кассельман эксперимент по созданию компьютера с 6000000 перепрограммированных ворот нашел спонсоров в отделе надводных боевых действий ВМС США, а затем получил патент в 1992 году.

К концу 1990 года появилась большая конкуренция в производстве ПЛИС, тогда доля рынка Xilinx начала снижаться. Такие игроки, как Actel, Altera, Lattice, QuickLogic, Cypress, Lucent и SiliconBlue, заняли свою нишу на мировом рынке FPGA наряду с Xilinx. В 1997 году Адриану Томпсону удалось объединить программирование ПЛИСов и технологию генетического алгоритма с FPGA, начав новую эпоху Evolvable.

Сегодня ПЛИС стали достаточно доступными, в связи с чем продолжают завоевывать популярность на потребительских рынках. Они состоят из набора логических ячеек, называемых таблицами поиска LUT, окруженных межкомпонентной сетью, обеспечивающей гибкую систему, которая может реализовать практически любой цифровой алгоритм.

Принципы программирования

Вам будет интересно:Качество программного обеспечения: стандарты и оценка. Технологическое обеспечение качества программного обеспечения

Программирование ПЛИС для начинающих — это процесс изучения, планирования, проектирования и реализации решения на FPGA. Количество и тип планировки варьируются от программы к программе. Создание документа с требованиями и создание документа с дизайном, с объяснением, как будет реализовано предлагаемое решение, может быть очень полезным для решения потенциальных проблем.

Время, затраченное на создание качественного проектного документа, сэкономит его в будущем на рефакторинге, отладке и исправлении ошибок. Реализация решения с помощью программирования ПЛИС включает в себя создание проекта с использованием одного из методов введения проекта. Среди них схемы или код HDL, например, Verilog или VHDL. FPGA могут запрограммировать выходной файл на физическое устройство FPGA с использованием инструментов программирования ПЛИС Altera. Введение дизайна с применением схем больше не используется в промышленности. Синтез и программирования почти полностью позаботились об инструментах вендора, таких как инструменты конфигурации ISE и Vivado и Numato Lab.

Уровень передачи регистра RTL

RTL обозначает уровень передачи регистра. Разработчик также может столкнуться с терминами Register Transfer Logic или Register Transfer Language, все они означают одно и то же в контексте проектирования оборудования. RTL — это абстракция более высокого уровня для цифрового аппаратного дизайна, которая находится где-то между строго поведенческим моделированием на одном конце и чисто структурным на уровне шлюза — на другом.

Моделирование гейтов означает описание аппаратных средств с использованием базовых вентилей, что является достаточно утомительным. RTL можно рассматривать как аналог термина «псевдокод», используемого в основах программирования ПЛИС. Можно описать аппаратный дизайн как последовательность шагов или потока данных от одного набора регистров к следующему в каждом тактовом цикле.

RTL также называют дизайном «потока данных». Как только проект RTL готов, его легче превратить в реальный код HDL, используя такие языки, как Verilog, VHDL, SystemVerilog или любой другой язык описания оборудования.

ПЛИС — это гораздо больше, чем просто множество ворот. Хотя можно строить логические схемы любой сложности, организуя и соединяя логические элементы. Это способ выразить логику в простом формате, который в конечном итоге можно превратить в массив элементов. Два популярных метода сделать это: введение схемы и языка описания оборудования HDL. До того, как он стал широко используемым, инженеры проектировали все с помощью схем. Они были очень простыми для небольших проектов, но болезненно неуправляемыми — для крупных. Стоит только представить себе, как инженеры Intel рисуют схемы для Pentium, у которого миллионы шлюзов! Это неприемлемо сложно.

Verilog — это язык описания аппаратных средств HDL, который можно использовать для цифровых схем в текстовом виде. Изучение Verilog не так сложно, если у пользователя есть опыт программирования. VHDL является еще одним популярным HDL, широко используемым в отрасли. Verilog и VHDL имеют более или менее одинаковое признание на рынке, но пользователи обычно выбирают Verilog, поскольку он прост в изучении и имеет синтаксическое сходство с языком Си.

Технологии программирования

Вам будет интересно:Как обновить Microsoft Office 2016? Три простых способа

ПЛИС можно считать строительными блоками, которые позволяют осуществить нужную настройку оборудования. Это особая форма PLD с более высокой плотностью и расширенными возможностями функционала за более короткий промежуток времени с использованием CAD. ПЛИС доступны в различных вариантах на основе используемой технологии программирования.

Они могут быть запрограммированы с использованием:

ПЛИС на основе технологии SRAM, которая предлагает неограниченное перепрограммирование и очень быструю реконфигурацию или частичную реконфигурацию во время самой работы с небольшим количеством дополнительных схем. Большинство таких компаний, как Altera, Actel, Atmel и Xilinx, производят эти устройства.

Конфигурируемые логические блоки

Независимо от различных производителей и несколько разных архитектур и наборов функций, большинство FPGA имеет общий подход. Основными компонентными блоками любой FPGA являются гибкий программируемый «логический блок» (CLB), окруженный программируемыми «блоками ввода / вывода» с иерархией каналов маршрутизации, соединяющих различные блоки на плате.

Кроме того, они могут состоять из DLL-библиотек для распределения и управления часами и памяти RAM выделенного блока с основным строительным блоком логической ячейкой. Последняя состоит из генератора входных функций, логики переноса и элементов хранения. Генераторы реализуются в виде справочных таблиц и зависят от введения. Например, Xilinx Spartan II имеет 4 входных LUT с обеспечением каждого 16X1 битным синхронным ОЗУ с использованием мультиплексоров как регистров сдвига для захвата данных в пакетном режиме. Элементы хранения являются чувствительными к краям триггеров или к уровню задвижек.

Фрагмент программирования ПЛИСов:

Базовый блок ввода / вывода показан ниже.

Буфера во входных и выходных путях направляют сигналы во внутреннюю логику и итоговые площадки непосредственно или через триггер. Они настраиваются на соответствие различным поддерживаемым стандартам сигнализации, которые могут быть определены пользователем и установлены извне.

Матрица маршрутизации

На любой сборочной линии медленный сегмент определяет общую производительность. Алгоритмы маршрутизации используются для разработки наиболее эффективных путей обеспечения оптимальной производительности. Маршрутизация осуществляется на разных уровнях, таких, как локальный, маршрутизация общего назначения между различными CLB, маршрутизация ввода-вывода между блоками и CLB, выделенная маршрутизация для определенных сигнальных классов с целью максимизации производительности и Global Routing для распределения тактовых и других сигналов с очень большим разветвлением. Семейства FPGA также имеют большие блочные структуры RAM для дополнения распределенных LUT RAM, размер которых варьируется для различных устройств FPGA.

Проектирование FPGA предполагает в основном тот же подход, что и любая система VLSI, основными этапами которой является проектирование, моделирование поведение, синтез, моделирование после синтеза, трансляция, отображение и маршрутизация, а также последующий анализ, такой как моделирование синхронизации и статический анализ синхронизации. На компьютере дизайн выглядит упорядоченным и уложенным плиткой, однако фактически имеется несовершенное размещение и маршрутизация, что приводит к снижению производительности.

Чтобы повысить производительность FPGA, всегда можно использовать больше транзисторов. Служебная площадь высокая. Установка большего количества транзисторов означает, что возможны масштабные конструкции. Утечка является серьезной проблемой для ПЛИС и в то же время представляет интерес. Использование асинхронной архитектуры FPGA показывает лучшие результаты в сочетании с технологией конвейерной обработки, которая уменьшает глобальные входы и улучшает пропускную способность.

Качество и проблемы ворот

Безопасность системы всегда была главной проблемой, так как код должен раскрываться каждый раз, когда загружался в ПЛИС. Такая гибкость делает FPGA потенциальной угрозой вредоносных модификаций при изготовлении, поэтому шифровании битовых потоков вовремя пришло ему на помощь.

Часто неопытные дизайнеры и пользователи сталкиваются с дилеммой, насколько мощная ПЛИС подходит для их разработок. Производители часто указывают метрики, например, «количество ворот». Например, программирование ПЛИС Xilinx использует 3 метрики для измерения объема FPGA, максимальных логических элементов, максимальных битов памяти и типового диапазона шлюзов. Пока они являются согласованными, миграция между моделями несколько упрощается, но она редко предлагает точное сравнение у различных поставщиков через разнообразие в архитектурах и из-за различий в производительности.

Наилучшим показателем является сравнение типа и количества предоставленных логических ресурсов. В дополнение к этому, разработчик должен полностью осознать, что именно нужно от устройства, поскольку производители могут похвастаться возможностями, которые будут иметь наименьшее значение для работы. Например, Stratix II EP2S180 от Altera имеет около 1,86,576 LUT с 4 входами, а Xilinx Virtex-4 XC4VLX200 содержит соответственно 1,78,176. Однако, если для проектирования нужна только 177 тыс. LUT, это будет достаточно.

Если ОЗУ — это желательная метрика для дизайнера, то ни 6 Мбит Xilinx XC4VLX200, ни 9 Мбит Altera EP2S180 не будут предпочтительнее по сравнению с менее рекламируемой, более старой моделью XC4VFX140 с 9,9 Мбит.

Языки программирования и ПО

Программирование ПЛИС Altera для начинающих стартует с выбора языка. Опция C, C ++ или System C позволяет использовать возможности крупнейших устройств и, в то же время, достижения сходства реалистической графики разработки. Возможность использования на базе C для проектирования FPGA обеспечивается HLS (синтез высокого уровня), который уже много лет находится на грани прорыва с таким инструментом, как Handle-C. В последнее время это стало реальностью благодаря тому, что крупные поставщики Altera и Xilinx предлагают HLS в своих наборах инструментов Spectra-Q и Vivado HLx соответственно.

Доступен ряд других реализаций программирования ПЛИС Altera для начинающих на основе C, таких как OpenCL, который предназначен для разработчиков программного обеспечения, желающих повышения производительности с помощью FPGA без глубокой понимание дизайна FPGA.

Как и в случае с HDL, HLS имеет ограничения при использовании подходов программирования ПЛИС на C также, как и с традиционными HDL, разработчикам приходится работать с подмножеством языка. Например, сложно синтезировать и реализовать системные вызовы, так как нужно убедиться, что все ограничено и имеет фиксированный размер. В HLS приятно то, что можно разрабатывать свои алгоритмы с плавающей запятой и имеется инструмент HLS преобразования плавающей запятой в фиксированную.

Программировать ПЛИС с ПО Xilinx совсем не сложно. Получить его можно, покупая продукты Xilinx, бесплатно или по цене, ориентированной на конкретные модели. Можно получить доступ к видео на профильном сайте, который наглядно показывает процедуру использования. Из всех компаний, которые можно выбрать при поиске программируемых вентильных массивов, Xilinx безусловно лучший из всех. Они являются создателями этого продукта, и в течение многих лет вносили в него улучшения. Фирменное ПО стало более мощным, чем когда-либо прежде.

Этапы проектирования

Вам будет интересно:Программы для сравнения файлов: обзор, характеристики, как пользоваться

Обучение программированию ПЛИС можно проводить онлайн, поскольку платформа хорошо представлена в интернете. При настройке ПЛИС первым шагом является проектирование схемы, для которой необходимо знание цифровой электроники. В отличие от программирования, гораздо сложнее начать нарезку кода, если архитектура программы не ясна. Как только станет ясно, что нужно реализовать, приступают к описанию схемы, используя один из языков: Verilog или VHDL.

Факт, который свидетельствует об изменении парадигмы, состоит в том, что они не называются языками программирования ПЛИС, а являются языками описания. Из-за сложности тестирования цифровых схем обычно на этом этапе используются банки тестов, моделирующих поведение оборудования. Этот тип инструментов позволяет видеть состояние сигнала в любой момент и проверять, есть ли переходы с желаемыми результатами.

Третий этап известен как синтез схемы является одним из ключевым. Он выбирает используемые элементы и их взаимосвязь в соответствии с файлами описания. Для этого этапа требуются инструменты, которые в большинстве ситуаций облегчают и автоматизируют задачи.

Аппаратные средства и наладка

Intel Quartus Prime Software Suite Lite Edition — программное обеспечение для проектирования ПЛИС. Оно идеально подходит для начинающих, так как его можно скачать бесплатно, а файл лицензии не требуется. Можно загрузить программное обеспечение на сайте производителя. Файлы имеют большой размер (несколько гигабайт), их загрузка и установка может занять много времени. Чтобы минимизировать время и необходимое дисковое пространство, рекомендуется загружать только те элементы, которые необходимы для пользовательских задач. При запросе, файлах для загрузки, снимают флажок «Select All» и выбирают только Quartus Prime и поддержку Cyclone V устройства.

Алгоритм создания проекта:

Если процесс завершается успешно, рядом с анализом и синтезом отображается зеленая галочка. Если ошибка, проверяют синтаксис и убеждаются, что он точно соответствует блоку кода, указанному выше.

Все опытные программисты знают, что сложные программы, даже подпрограммы, не работают правильно с первого раза. Способности к абстракции у человека, основанные на опыте, позволяют ему находить решения, не беспокоясь о мельчайших деталях. Но суровая правда заключается в том, что физическая система, в которую встраиваются программы, требует, чтобы каждая мелочь была учтена, прежде чем все заработает.

С улучшением программных инструментов для разработки ПЛИС в основном от традиционных поставщиков, а также независимых поставщиков инструментов: Synplicity, FPGA — становится день ото дня все более популярной. Теперь ПЛИС начали включать специализированное аппаратное обеспечение необходимых клиенту функций, снижая издержки производителей. Таким образом, в будущем может появиться конкуренция между жесткими и дешевыми системами с гибкими ядрами. Ожидается, что в ближайшей будущем расходы будут снижаться еще больше, поскольку популярность FPGA вырастет в разы.

Производители начали экспериментировать с таким понятием, как встраивание ПЛИС в интегральные микросхемы для создания гибридного устройства. Основное внимание по-прежнему уделяется маршрутизации межсоединений, а в архитектурах CLB наблюдаются меньшие изменения. Поскольку ПЛИС продолжают включать процессоры, новое поколение потребует не только знаний аппаратного обеспечения цифрового дизайна, но и опыта разработчиков в процессе однократного программирования ПЛИС. В целом, ожидается, что FPGA отнимет долю рынка в устройствах ASIC и станет доминирующей технологией, охватывающей множество приложений из различных областей.

Источник

ruud.ru

Что такое FPGA? — kanyevsky.kpi.ua

Анатолий Сергиенко

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) появились полтора десятилетия назад как альтернатива программируемым логическим матрицам (ПЛМ). От последних ПЛИС отличаются как по архитектуре, так и по технологии изготовления.

ПЛМ представляет собой матрицу многовходовых (несколько десятков входов) логических элементов с триггерами, в которых перемычками программируются конституенты единиц дизъюнктивных нормальных форм функций этих элементов. Вначале перемычки выполнялись в виде пережигаемых тонких проводничков. Теперь перемычки выполняются в виде МОП-транзистора с плавающим затвором, как в электрически перепрограммируемом ПЗУ, т.е. ПЛМ изготовляются по технологии флэш-памяти. Большие ПЛМ (CPLD) отличаются только тем, что несколько ПЛМ собраны на одном кристалле и объединены программируемым полем связей.

ПЛИС представляет собой матрицу маловходовых (от двух до пяти входов) логических элементов, триггеров, отрезков линий связи, соединяемых перемычками из полевых транзисторов. Судя по английскому названию — Field Programmable Gate Array (FPGA) — ПЛИС программируются изменением уровня электрического поля (field) в затворах этих транзисторов. В отличие, например, от LPGA — Laser Programmable Gate Array. Затворы всех «программирующих» полевых транзисторов подключены к выходам триггеров одного длинного сдвигового регистра, который заполняется при программировании ПЛИС. Некоторые из участков этого регистра могут также выполнять роль ячеек ПЗУ.

Прошивка обычно хранится в ПЗУ, стоящем рядом с ПЛИС и после включения питания или по сигналу сброса она автоматически переписывается в программирующий сдвиговый регистр ПЛИС. Этот процесс называется конфигурированием ПЛИС. Так как основу ПЛИС составляют триггеры, хранящие прошивку, то ПЛИС изготавливаются по технологии микросхем статического ОЗУ.

По сравнению с CPLD, ПЛИС выигрывают

• во-первых, в неограниченном количестве перепрограммирований,
• во-вторых, в логической емкости, в том числе в удельной емкости вентилей на цент,
• в-третьих, в малом энергопотреблении.

Как правило, ПЛИС имеют на два — три порядка большую емкость в числе эквивалентных логических вентилей, чем CPLD и также как статическое ОЗУ, почти не потребляют энергии при отсутствии переключений. Кроме того, у ПЛИС на порядок выше надежность (ниже интенсивность отказов), чем у CPLD.

К недостаткам относят необходимость внешнего ПЗУ прошивки, генератора синхросерии. Но 8-выводовое ПЗУ занимает на плате значительно меньше места, чем сама ПЛИС с многими сотнями выводов. То же касается генератора синхросерии.

Много сомнений у пользователей возникает с защитой проекта от копирования. Действительно, прошивка ПЛИС хранится во внешнем ПЗУ, содержимое которого просто копируется. Но изменить или расшифровать прошивку, например, для скрытия авторства или восстановления схемы, практически невозможно, так как семантика битов в файле прошивки — секрет фирмы, а неосторожное изменение ее может вывести ПЛИС из строя. Если требуется защита, то загрузку программы выполняют с помощью внешней CPLD, автомат в которой обеспечивает защиту проекта. В ПЛИС новых поколений предусматривается шифрование прошивки, например, с помощью встроенного шифрователя DES с обеспечением сохранения ключа с помощью батарейки.

Архитектура ПЛИС фирмы Xilinx.

Фирма Xilinx принадлежит к числу родоначальников ПЛИС и самых крупных их производителей. Ниже рассматривается краткое описание архитектурных особенностей ПЛИС серии Virtex выпускаемой этой фирмой. Эти особенности наследуются в новых сериях ПЛИС, а также в серии Spartan, микросхемы которой призваны заменить заказные СБИС в мало- и среднесерийном производстве изделий электроники. Кроме того, принципы функционирования структурных элементов ПЛИС этой серии узнаваемы в архитектурах ПЛИС других фирм-производителей, таких как, Altera, Actel, Atmel.

Топология ПЛИС.

На площади кристалла ПЛИС размещены матрица конфигурируемых логических блоков (КЛБ или CLB), матрица отрезков линий межсоединений, покрытых матрицами из полевых транзисторов — перемычек. По краям кристалла размешены блоки настраиваемых ОЗУ — BlockRAM. По периметру кристалла размещены блоки ввода-вывода сигналов (IOBs), а также периферийный канал линий межсоединений, называемый Versaring, предназначеный для соединения КЛБ с произвольным IOB линией связи с малой задержкой.

Логическая таблица.

Роль основного логического элемента в ПЛИС играет логическая таблица (ЛТ) или look-up table (LUT), представляющая собой однобитное ОЗУ на 16 ячеек. В ЛТ по адресу G3,G2,G1,G0 записана единица, если код адреса представляет собой конституенту единицы заданной четырехвходовой логической функции. Например, если по адресу 1,1,1,1 записана единица, а по остальным адресам — ноль, то ЛТ реализует четырехвходовую функцию И. На рис. показан пример кодирования функции Исключающее ИЛИ на четыре входа.

Триггеры ЛТ входят в состав программирующего сдвигового регистра и их начальное состояние заполняется в период конфигурирования ПЛИС.

Триггер.

В ПЛИС используются программируемые D-триггеры. При конфигурировании можно задать такие режимы работы триггера, как триггер с начальным сбросом (R) или начальной установкой (S), с записью по фронту или спаду синхросерии, с разрешением или без разрешения записи.

После окончания конфигурирования ПЛИС выдает сигнал общего сброса GSR, который устанавливает все триггеры в 0 или 1.

Структура КЛБ.

В базовой серии ПЛИС XC4000 фирмы Xilinx основной единицей оборудования считается КЛБ, состоящий из двух триггеров и двух ЛТ. В новых сериях ПЛИС количество триггеров и ЛТ увеличилось вдвое и вчетверо. Чтобы оставить для всех серий одну и ту же единицу оборудования, условились называть КЛБ из двух триггеров и двух ЛТ эквивалентным КЛБ (ЭКЛБ) или CLB slice. Таким образом, КЛБ серии Virtex состоит из двух ЭКЛБ, а серии VirtexII — из четырех ЭКЛБ .

Схемы для ускорения арифметических операций.

В ЭКЛБ две ЛТ и два триггера соединены вместе через схему ускоренного переноса и два однобитных полусумматора. Эти схемы позволяют эффективно реализовать многоразрядные параллельные сумматоры, а на их основе — всевозможные счетчики и АЛУ.

Для минимизации оборудования и ускорения вычисления операции умножения используется дополнительная схема поразрядного произведения.

Следует добавить, что в новой серии VirtexII аппаратно реализованы умножители 18 на 18 разрядов.

Мультиплексоры в ПЛИС.

Большую долю оборудования в ВС занимают мультиплексоры. С помощью ЛТ можно реализовать двухвходовый мультиплексор. Для эффективной реализации 4-х и более — входовых мультиплексоров в КЛБ имеются схемы мультиплексоров F5 и F6, которые играют роль верхних уровней древовидного мультиплексора. Также они используются для построения функции 5-входовой (F5) и 6-входовой (F6) логики.

Шины с тремя состояниями.

Применение шин с тремя состояниями — типичное схемное решение вычислительных устройств, реализованных на плате. Благодаря такому решению, легко достигается многомодульность и наращиваемость системы, низкие аппаратурные затраты и малые задержки в системе межсоединений. Внутри заказных СБИС редко применяются шины с тремя состояниями из-за технологических трудностей их безотказной реализации, а также увеличенной задержки на их переключение.

Несмотря на это, в ПЛИС фирмы Xilinx всё-таки широко применяются шины с тремя состояниями, хотя это существенно повышает их себестоимость. Зато, во-первых, проще выполнить переход от проекта схемы на плате к проекту системы на кристалле. Во-вторых, ВУ с общими шинами, к которым подключено несколько десятков модулей, имеет аппаратные затраты в несколько раз меньше, чем такое же ВУ, в котором шины заменены на эквивалентную схему из системы мультиплексоров. В-третьих, с помощью общих шин можно эффективно реализовать встроенное распределенное ОЗУ, о котором пойдет речь ниже.

Для реализации общей шины каждый КЛБ имеет два буфера с тремя состояниями BUFT , которые через транзисторы-перемычки могут подключаться к общим шинам, проходящим вдоль всего кристалла. В обычных шинах третье состояние характеризуется уровнем, находящимся между уровнями логической 1 и логического 0. Но если такую шину реализовать внутри микросхемы, то в случае, когда все тристабильные буферы будут в третьем (закрытом) состоянии, их выходные транзисторы будут полуоткрытыми и могут выйти из строя. Для исключения такого электрического режима в ПЛИС общая шина нагружена на концах специальной триггерной схемой — Weak Keeper , которая выводит уровень шины или к уровню H, или к уровню L (слабые 1 или 0), если все буферы закрыты.

Неправильное функционирование общей шины, когда несколько источников с разными уровнями подключаются к шине, может вывести ПЛИС из строя. САПР ПЛИС тщательно проверяет, чтобы спроектированная общая шина функционировала правильно. Поэтому не рекомендуется ручное редактирование файла прошивки, так как случайная ошибка в коде может привести к неправильной работе общей шины и порче ПЛИС.

ОЗУ в ПЛИС.

Для реализации в ПЛИС модулей ОЗУ предусмотрено две возможности. Первую возможность предоставляет каждая ЛТ, которая может быть сконфигурирована как 16-битовое синхронное ОЗУ. Две соседних ЛТ могут быть сконфигурированы как 16-битовое двухпортовое ОЗУ с записью и чтением по одному адресу и чтением по другому адресу, как показано на рис. При этом для реализации синхронного режима записи входной бит данного, сигнал записи и адрес запоминаются в триггерах — защелках, а для чтения по второму адресу из блока второй ЛТ используется только мультиплексор чтения.

Для наращивания емкости памяти выходы нескольких КЛБ с модулями ОЗУ через тристабильные буферы подключаются к общим шинам. При этом требуется дополнительное оборудование только для построения схемы дешифрации адреса, которая выдает сигналы выборки той или иной ЛТ для записи, а также того или другого тристабильного буфера для чтения. Такое ОЗУ распределено по площади кристалла и поэтому названо Distributed RAM.

Если ЛТ запрограммировать как примитив SRL16, то из ее триггеров будет реализован 16-разрядный сдвиговый регистр с однобитовым входом и программируемым номером выходного разряда, т.е. память FIFO регулируемой длины.

Вторую возможность предоставляют отдельные блоки памяти BlockRAM. В ПЛИС серии Virtex они могут быть сконфигурированы как ОЗУ объемом 256 16-разрядных слов, 512 8-разрядных слов, и т.д. Эта память может быть запрограммирована как однопортовая или как полностью двухпортовая память. Начальное состояние этой памяти задается при ее конфигурировании, поэтому она может быть использована также как ПЗУ.

Блоки ввода-вывода сигналов.

ПЛИС находят широкое применение благодаря тому, что их можно включать в большинство проектов вычислительных устройств и ими можно заменять большое количество старых микросхем. Предпосылкой этому служит большое число блоков ввода-вывода сигналов IOB, настраиваемых под различные стандарты электрического соединения входов микросхем. На рис. показана структура одного IOB.

Сигнальный вывод ПЛИС получил название PAD. С помощью настройки к нему можно подключать внутренний нагрузочный резистор PULLUP или резистор PULLDOWN, соединенные с шиной питания или шиной земли, соответственно. Эти резисторы обеспечивают режим выхода с открытым коллектором (стоком) для систем с различными уровнями логики. Входной сигнал с PAD поступает на компаратор IBUF, порог срабатывания которого программируется под уровни ТТЛ, КМОП, шины PCI и многие другие, а также может регулироваться установкой подаваемого снаружи напряжения. Для обеспечения временного сдвига сигнала относительно фронта синхросерии, обеспечивающего надежный прием сигнала во внутренние триггеры, в цепь входного сигнала может включаться специальная схема задержки.

Выходной сигнал в IOB формируется в тристабильном буфере OBUFT, причем его уровень максимального тока программируется ступенями и может достигать 20 мА. Для обеспечения быстродействующего ввода-вывода передаваемые и принимаемые биты данных, а также сигнал управления тристабильным буфером могут запоминаться в триггерах.

В новых сериях ПЛИС предусмотрена настройка входного и выходного импеданса PADа, а также бифазное функционирование пар PADов для достижения помехоустойчивой высокоскоростной передачи данных.

При диагностике и отладке, в одном из режимов конфигурирования ПЛИС может быть переключена в режим пограничного сканирования (Boundary Scan). В этом режиме все IOB соединяются в цепочку одного длинного регистра сдвига. Путем стандартного внешнего управления этим регистром сдвига через интерфейс JTAG можно считывать состояния выводов, подавать тестовые сигналы, конфигурировать ПЛИС.

В период конфигурирования ПЛИС для того, чтобы подключаемые к ней устройства не функционировали неопределенным образом, выходы IOB отключаются и на них обычно выставляется уровень H слабой единицы (Weak Keeper).

Система синхронизации.

Одним из принципов разработки проектов для ПЛИС является принцип однотактной синхронизации, согласно которому все триггеры в блоке срабатывают одновременно по одному сигналу синхросерии. Для его реализации в ПЛИС синхросигналы распространяются по быстродействующей древоообразной сети, которая обеспечивает почти одновременный приход фронта синхроимпульса на синхровходы всех триггеров.

Для надежного функционирования ПЛИС синхросигнал должен подаваться через вывод GCLKPAD и попадать в сеть синхросерии через буфер GCLKBUF. В ПЛИС предусмотрено 4 вывода GCLKPAD, размещенных на противоположных сторонах ее корпуса. Синхросигнал может вырабатываться и внутри ПЛИС, но в этом случае его следует завести в сеть синхросерии через глобальный буфер BUFG.

С помощью спроектированного синхронного автомата, сконфигурированного в ПЛИС, можно изменять частоту и фазу синхросерии. Но в этом случае ее временные параметры будут недостаточно стабильными и поэтому такой подход обычно не применяется. Для надежного регулирования частоты синхросерии в ПЛИС включают делители частоты синхросерии с автоподстройкой — блоки CLKDLL. На рис. показана типичная схема его включения. Блок CLKDLL обеспечивает умножение частоты синхросерии в 2 раза, сдвиг ее фазы на 90, 180 и 270 градусов, деление на 1.5, 2, 2.5, 3, 4.5, 8 и 16.

Конфигурирование ПЛИС.

Для конфигурирования ПЛИС в ней предусмотрены входы задания режима M2, M1, M0, вывод синхросерии программирования CCLK, вход последовательности конфигурации PROGRAM, выход флага окончания конфигурирования DONE и выводы порта JTAG. В зависимости от установленного режима можно загружать прошивку ПЛИС через однобитовый вход PROGRAM, порт JTAG или 8-разрядную шину D c использованием для управления выводов WRITE и BUSY.

Конфигурирование через однобитовый вход длится до нескольких десятков секунд. Это стандартный способ конфигурирования и для него не требуется дополнительного оборудования, кроме ПЗУ прошивки с однобитовым выходом.

Для реализации конфигурирования через шину D необходимо дополнительное внешнее устройство (автомат или микроконтроллер), управляющее записью и выдающее последовательность адресов чтения на входы байтового ПЗУ. Зато оно происходит значительно быстрее — практически с максимальным темпом чтения из ПЗУ.

Разработка систем на кристалле (СНК) — это устойчивая современная тенденция. И программирование ПЛИС для СНК — один из главных этапов такой разработки. Выпуск ПЛИС новых поколений, например, Xilinx VirtexPro, направлен на поддержку развития СНК. Разработка СНК без применения языка VHDL или Verilog практически невозможна.

kanyevsky.kpi.ua