Реферат: ПЛИС Xilinx семейства Virtex™

• 100%-ное фабричное тестирование.

2. Описание

Семейство FPGAVirtex™ 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.

Прибор	Системные вентили	Матрица КЛБ	Логические ячейки	Число доступных входов-выходов	Блочная память [бит]	Память на базе LUT [бит]
XCV50	57 906	16x24	1 728	180	32 768		24 576
XCV100	108 904	20x30	2 700	180	40 960		38 400
XCV150	164 676	24x36	3 888	260	49 152		55 296
XCV200	236 666	28x42	5 292	284	57 344		75 264
XCV300	322 970	32x48	6 912	316	65 536		98 304
XCV400	468 252	40x60	10 800	404	81 920		153 600
XCV600	661 111	48x72	15 552	512	98 304		221 184
XCV800	888 439	56x84	21 168	512	114 688		301 056
XCV1000	1 124 022	64x96	27 648	512	131 072		393 216

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 (StaticRandomAccessMemory — SRAM), поэтому функционирование кри­сталлов определяется загружаемыми во внутренние ячейки памяти конфи­гурационными данными. Конфигурационные данные могут загружаться в кристалл несколькими способами. В ведущем последовательном режиме (MasterSerial) загрузка осуществляется из внешнего ОЗУ и полностью уп­равляется самой FPGAVirtex. В других режимах управление загрузкой осу­ществляется внешними устройствами (режимы Select-MAP™, подчинен­ный-последовательный (SlaveSerialи 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

Функция	Разрядность [бит]	Производительность
Внутрисистемная производительность
Сумматор	16	5.0 нс
	64	7.2 нс
Конвейерный умножитель	8х8	5.1 нс
	16х16	6.0 нс
Декодер адреса	16	4.4 нс
	64	6.4 нс
Мультиплексор	16:1	5.4 нс
Схема контроля по четности	9	4.1 нс
	18	5.0 нс
	36	6.9 нс
Системная производительность
Стандарт HSTLClassIV	200МГц
Стандарт LVTTL	180МГц

DLL	Блоки ввода-вывода (БВВ)						DLL
Блоки ввода-вывода (БВВ)	VersaRing			Блоки ввода-вывода (БВВ)
	VersaRing	Блочная память	Матрица КЛБ		Блочная память	Versa Ring
	Versa Ring
DLL	Блоки ввода-вывода (БВВ)					DLL

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.

Стандарт ввод/вывод	Напряжение порогового уровня входных каскадов,	Напряжение питания выходных каскадов,	Напряжение согласования с платой,	5-В совместимость
LVTTL	нет	3.3	нет	да
LVCMOS2	нет	2.5	нет	да
PCI, 5 A	нет	3.3	нет	да
PCI, 3.3 A	нет	3.3	нет	нет
GTL	0.8	нет	1.2	нет
GTL+	1.0	нет	1.5	нет
HSTL Class I	0.75	1.5	0.75	нет
HSTL Class III	0.9	1.5	1.5	нет
HSTL Class IV	0.9	1.5	1.5	нет
SSTL3 Class I & II	1.5	3.3	1.5	нет
SSTL2 Class I & II	1.25	2.5	1.25	нет
CTT	1.5	3.3	1.5	нет
AGP	1.32	3.3	нет	нет

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 (ClockEnable — 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.