складывается великое дело!
|
Каталог товаров:
|
Статьи, Обзоры, АналитикаПЛИС Xilinx серии 7В настоящее время компания Xilinx, занимающая чуть более половины рынка FPGA, предлагает микросхемы ПЛИС серии 7, выпускаемые с применением 28-нм норм технологического процесса. ВВЕДЕНИЕ Программируемые логические интегральные схемы, появившиеся в середине 1980х годов, в настоящее время сформировали области применения с характерными подходами к проектированию и особенностями разрабатываемых устройств. Номенклатура микросхем ПЛИС с наиболее развитой и популярной архитектурой FPGA, выпускаемых компаниями Xilinx и Altera, регулярно обновляется на базе актуального технологического процесса. Программируемые микросхемы с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Array, программируемые пользователем вентильные матрицы) содержат набор конфигурируемых блоков (логических ячеек), образованных базовыми компонентами цифровой логики – логическими элементами и триггерами. Отдельные ячейки соединяются друг с другом с помощью программируемых трассировочных линий, как показано на рисунке 1. На рисунке 1 видно, что две ячейки массива запрограммированы для выполнения определённой логической функции. Поскольку для реализации всей схемы одной ячейки оказалось недостаточно, её выход был подключён ко входу другой ячейки, для чего были задействованы трассировочные линии FPGA. Чтобы реализовать такую схему, необходимо задать режимы работы отдельных компонентов внутри ячеек, а также активировать цифровые ключи, соединяющие отдельные сегменты трассировочных линий. Настройки компонентов и информация о включенных и выключенных коммутаторах хранится в специальной памяти внутри FPGA. Эта память выполнена по технологии SRAM, поэтому имеет неограниченное число циклов перезаписи, но теряет информацию при отключении питания. Поэтому микросхему FPGA необходимо запрограммировать при включении – передать через специальный интерфейс содержимое файла конфигурации.
На практике программирование ячеек и формирование трассировочных линий выполняется с помощью САПР. Структура файла конфигурации является строго конфиденциальной информацией, и формирование такого файла может быть выполнено только с помощью программных средств производителя ПЛИС. Проектирование на микросхемах FPGA имеет некоторые особенности. Вопервых, эти ПЛИС подразумевают неоднородность схемы. Это означает, что сложные схемы с неравномерным использованием компонентов необходимо приводить к базовым логическим ячейкам, причём весьма вероятно, что какието возможности ячеек останутся незадействованными. Вовторых, программируемые трассировочные линии имеют бо0льшую задержку распространения сигнала по сравнению с металлическими соединениями интегральных микросхем. Поэтому рабочие частоты ПЛИС меньше, чем частоты стандартных цифровых микросхем. Таким образом, проекты на базе ПЛИС оказываются дороже и медленнее решений на базе стандартных (Standard Product) или специализированных микросхем (ASIC, ASSP). Тем не менее, в процессе развития цифровой микроэлектроники производство ПЛИС демонстрировало устойчивый рост. Это связано с тем, что стоимость подготовки производства интегральных схем постоянно возрастает и, например, для 32нм технологического процесса может достигать 200 млн долл. США (по данным 2012 г.). Поэтому разработка специализированной микросхемы оказывается экономически целесообразной только для массового производства, а ПЛИС являются подходящей элементной базой для цифровых устройств с уникальной архитектурой, выпускаемых небольшими партиями. Другими преимуществами ПЛИС являются возможность реализации параллельных вычислительных структур и достижение высокой степени интеграции компонентов на основе небольших блоков, реализующих простые операции. ПЛИС с архитектурой FPGA традиционно используются в задачах цифровой обработки сигналов, поскольку обеспечивают очень высокие показатели производительности (до 5,8 TMAC/с). Другим крупным потребителем FPGA являются коммуникационные устройства, прежде всего, магистральное оборудование проводной связи. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛИС СЕРИИ 7 Компания Xilinx с 1985 г. выпускает ПЛИС, представляющие основные архитектуры – CPLD (Complex Programmable Logic Device, сложная программируемая логическая схема) и FPGA. С развитием полупроводниковой технологии микросхемы с архитектурой FPGA совершенствовались более активно, так как возможности их масштабирования позволяют создавать кристаллы с миллионами логических ячеек. В настоящее время именно FPGA являются наиболее универсальными и мощными программируемыми микросхемами, позволяющими реализовать широкий спектр цифровых устройств. Микросхемы CPLD в основном используются для замены дискретных цифровых компонентов. Компания Xilinx, как и большинство разработчиков ПЛИС, не имеет собственного производства, а заказывает изготовление микросхем на стороне. Соответственно, по мере освоения новых технологических процессов мировыми производителями, Xilinx выпускает новое поколение ПЛИС. В конце 1990х годов основной линейкой FPGA компании Xilinx была серия XC4000 (семейства XC4000E, XC4000XL и XC4000XLA). Архитектура XC4000 оказалась довольно удачной, однако в ряде проектов возможности стандартной логической ячейки ПЛИС использовались далеко не полностью. Возникла естественная альтернатива: дорогие устройства с максимальной производительностью и полным набором функциональных возможностей и дешёвые ПЛИС, обеспечивающие базовые функции, достаточные для большинства типовых проектов. В результате в номенклатуре изделий компании Xilinx появились различные серии FPGA, соответствующие этим направлениям. Стандартное недорогое решение предоставляла серия Spartan, на смену которой пришли серии Artix (минимальная стоимость) и Kintex (умеренная стоимость при высокой производительности в задачах ЦОС). Наилучшие технические характеристики обеспечивала серия Virtex. На данный момент компания предлагает семейства ПЛИС серии 7 – Artix7, Kintex7 и Virtex7. На рисунке 2 представлено соответствие поколений микросхем FPGA компании Xilinx технологическим процессам. Отдельной разновидностью микросхем ПЛИС, анонсированных в 2011 г., являются микросхемы класса All Programmable SoC (полностью программируемые системы на кристалле). Начиная с семейства Zynq7000, они содержат процессорное ядро ARM и матрицу программируемых логических ячеек, аналогичных используемым в семействах
Рис. 2. Диаграмма соответствия поколений микросхем FPGA компании Xilinx технологическим процессам Характеристики современных микросхем FPGA в большой степени определяются дополнительными аппаратными блоками. Довольно часто блоки памяти и аппаратные умножители неэффективны при их реализации с помощью стандартных ячеек, а высокоскоростные приёмопередатчики просто нереализуемы. Поэтому на кристаллах FPGA серии 7 в большом количестве размещены специализированные аппаратные блоки, в их числе:
Характеристики программируемой логики ПЛИС Zynq 7000 приведены в таблице 2. Микросхемы Zynq7010 и Zynq7020 выполнены на базе программируемых ресурсов семейства Artix, а Zynq7030 и Zynq7045 – на базе Kintex. Это отражается на пиковой производительности подсистемы цифровой обработки сигналов – в младших ПЛИС тактовая частота блока ниже. Кроме того, в Zynq7030 и Zynq7045 отсутствуют блоки PCI Express и высокоскоростные приёмопередатчики. Несмотря на схожесть языков описания аппаратуры и языков программирования, разработка систем на базе FPGA существенно отличается от проектирования программных продуктов и по сути является сферой деятельности специалистов в области проектирования цифровой электроники. Кроме того, не следует рассматривать микросхемы FPGA как стандартные наборы однотипных базовых компонентов, поскольку характеристики современных FPGA во многом определяются аппаратными ядрами. На рисунке 3 показана структура блока DSP48E1A, размещённого в FPGA серии 7. Таблица 1. Сводные характеристики семейств микросхем FPGA серии 7 компании Xilinx
В этом блоке имеется не только аппаратный умножитель, но и 48разрядный аккумулятор с функциями АЛУ, набор регистров и мультиплексоров и специальный модуль «предварительный сумматор». Дополнительные компоненты упрощают построение многих узлов цифровой обработки сигналов, таких как КИХ и БИХфильтры, ядра БПФ, модули работы с комплексной арифметикой и т.д. Предварительный сумматор позволяет обрабатывать в одном DSP48E1A два отвода КИХфильтра с симметричными коэффициентами. Таким образом, разработка эффективных систем цифровой обработки сигналов в определённой степени зависит от квалификации инженера, который должен не только представлять аппаратные возможности применяемой элементной базы, но и в полной мере владеть средствами проектирования ПЛИС. Таблица 2. Состав семейства Zynq-7000
СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ В настоящее время микросхемы FPGA применяются в ряде областей, в каждой из которых востребован определённый набор их свойств:
Микросхемы FPGA серии 7 компании Xilinx поддерживают тенденции постоянного увеличения логической ёмкости микросхем, повышения общей производительности, степени интеграции и расширения функциональных возможностей. Гибкость этой элементной базы представляет определённый интерес при разработке сложной, наукоёмкой продукции, обеспечивая программные и аппаратные решения при умеренных материальных затратах. Однако эффективная разработка на базе ПЛИС возможна только при высокой квалификации специалистов. Источник: http://WWW.SOEL.RU |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
электронных компонентов