FPGAs modernos da série XILINX: VIRTEX. Data de referência

Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Aplicação de microcircuitos

 Comentários do artigo

Em 2014, a empresa americana Xilinx comemora seu 30º aniversário. Já em um estágio inicial de sua existência, em 1984, a empresa propôs um novo tipo de circuitos lógicos - cristais de matriz básica reprogramáveis ​​pelo usuário (Field Programmable Gate Array, ou FPGA). Os CIs deram ao projetista de eletrônicos os benefícios dos cristais de matriz básica padrão, permitindo que eles projetassem, configurassem, depurassem, corrijam bugs e reconfigurassem o CI no local de trabalho. Como resultado, a flexibilidade do dispositivo melhorou e o tempo de comercialização dos produtos acabados foi significativamente reduzido. Quais são as conquistas da Xilinx até hoje?

Introdução

Hoje, a Xilinx lança várias séries de FPGAs. Eles são divididos em FPGA - cristais de matriz básica reprogramáveis ​​pelo usuário - e CPLD (Complex Programmable Logic Devices) - dispositivos lógicos programáveis ​​complexos. Em cada série - de uma a várias famílias, contendo, por sua vez, microcircuitos que diferem em capacidade, velocidade e tipo de pacote (veja a figura). As principais características dos FPGAs Xilinx (no início de 2004):

• uma quantidade significativa de recursos: mais de 10 milhões de portas do sistema por chip;
• alto desempenho: frequências do sistema acima de 400 MHz;
• tecnologia de fabricação promissora: padrões topológicos até 90 nm, metalização em nove camadas, incluindo cobre;
• arquitetura altamente flexível com muitos recursos do sistema: RAM interna distribuída e em bloco, lógica de transferência rápida, buffers internos de terceiro estado, etc.;
• possibilidade de inicialização e verificação via JTAG;
• possibilidade de programação diretamente no sistema;
• uma ampla gama de produtos: desde microcircuitos baratos e relativamente simples para implementação de projetos lógicos de grande escala até muito complexos para criar ferramentas de processamento de sinal digital de alta velocidade, modelagem e prototipagem de novos tipos de processadores, dispositivos de computação, etc.;
• ciclo de projeto curto e baixo tempo de compilação;
• ferramentas de design baratas (incluindo as gratuitas).

A Xilinx produz FPGAs baseados em três tipos de memória:

• SRAM (tipo FPGA). Neste caso, a configuração do circuito é armazenada na RAM interna, "sombra", e a inicialização é realizada a partir de uma matriz de memória externa. A sequência de configuração (bitstream) pode ser carregada no FPGA diretamente no sistema e recarregada um número ilimitado de vezes. A inicialização do FPGA é realizada automaticamente a partir da ROM de inicialização externa quando a tensão de alimentação é aplicada ou forçada por um sinal especial. O processo de inicialização leva de 20 a 200 ms, durante o qual os pinos do FPGA estão em um estado de alta resistência (puxado para uma unidade lógica). FPGAs deste tipo incluem microcircuitos da série Virtex, Spartan;
• memória flash. A configuração é armazenada na memória flash interna não volátil e pode ser sobrescrita a qualquer momento diretamente do PC através da porta JTAG, eliminando a necessidade de um programador. Por meio do JTAG, também são fornecidos testes internos do circuito. Esta tecnologia é utilizada para CPLDs da família XC9500;
• EEPROM. Nesses FPGAs, a configuração é armazenada em uma EEPROM interna não volátil e, a qualquer momento, pode ser sobrescrita diretamente do PC. Os CPLDs da família CoolRunner são fabricados com esta tecnologia.

Durante a fase de depuração, a configuração pode ser baixada de um computador usando três tipos de cabos: MultiPRO Desktop Tool, Cabo Paralelo IV e Cabo MultiLinx. Todos os cabos suportam programação de chip CPLD sem porta JTAG. Ao escolher um cabo, é necessário levar em consideração suas propriedades, dadas abaixo:

Ferramenta de área de trabalho MultiPRO conecta-se a uma porta paralela de PC, suporta programação/configuração no sistema de todos os FPGAs Xilinx, bem como programação offline de FPGAs da família CoolRunner-ll e PROMs das séries XC18V00 e PlatformFlash. Ao mesmo tempo, a presença em um conjunto do próprio programador e do cabo de download permitiu reduzir o custo de um conjunto de ferramentas para depuração e programação;

Cabo Paralelo IV conecta-se à porta paralela do PC, suporta inicialização FPGA e programação CPLD e readback de configuração via porta JTAG. A tensão de alimentação é fornecida por uma fonte externa de 5 V. A entrega do cabo inclui um adaptador projetado para fornecer tensão ao cabo da porta PS/2 do computador;

Cabo MultiLinx conecta-se à porta RS-232 de um PC ou estação de trabalho, bem como à porta USB de um PC. A tensão de alimentação (5; 3,3; 2,5 V) é fornecida pela placa.

Arroz. 1. Xilinx FPGA

A Xilinx oferece um conjunto completo de software que permite implementar um projeto baseado nos FPGAs lançados. O software inclui entrada esquemática e de texto, síntese VHDL/Verilog, simulação funcional, rastreador de cristal, simulação pós-traço e muito mais. Além disso, a Xilinx desenvolve módulos especializados, os chamados núcleos lógicos, que podem ser usados ​​como elementos de biblioteca ao projetar dispositivos baseados em FPGA.

Breve classificação dos microcircuitos XILINX modernos

Até o momento, os seguintes FPGAs Xilinx são os mais promissores:

• Série FPGA Virtex;
• FPGA da série Spartan, com exceção dos chips das famílias Spartan (tensão de alimentação 5 V) e Spartan-XL (3,3 V);
• Série CPLD XC9500;
• CPLD série CoolRunner-ll.

O uso de outras séries Xilinx FPGA atualmente em produção em novos desenvolvimentos não é recomendado. Portanto, não os consideraremos.

Série VIRTEX

A série FPGA inclui quatro famílias: Virtex, Virtex-E, Virtex-ll e Virtex-ll Pro. Lançada no final de 1998, a série Virtex expandiu os FPGAs tradicionais do tipo FPGA com um poderoso conjunto de recursos para resolver desafios de projeto de sistemas de alto desempenho. Os chips FPGA da série são caracterizados por uma arquitetura flexível, composta por uma matriz de blocos lógicos configuráveis ​​(Configurable Logic Blocks - CLB), cercados por blocos de E/S programáveis ​​(Input-Output Blocks - SE). Lógica de overdrive dedicada para aritmética de alta velocidade, suporte a multiplicadores dedicados, cadeias em cascata para funções de alta entrada, múltiplos registros/travas habilitados para clock com reset e ajuste síncrono/assíncrono, barramentos internos tri-state equilibram velocidade e densidade de empacotamento lógico.

O sistema hierárquico de elementos de memória dos microcircuitos da série inclui: memória distribuída baseada em tabelas de consulta de quatro entradas (4-LUT - Look-Up Table), configurada como RAM de 16 bits ou deslocamento de 16 bits registro; memória de bloco integrada (cada bloco é configurado como RAM síncrona de porta dupla) e interfaces para módulos de memória externos. Os FPGAs da série suportam a maioria dos padrões de E/S (tecnologia SelectIO™), e os FPGAs de famílias posteriores suportam padrões de transmissão de sinal diferencial - LVDS (Low-Voltage Differential Signaling), BLVDS (Bus LVDS), LVPECL (Low-Voltage Positive Emitter- Lógica Acoplada). São fornecidos circuitos de controle de temporização integrados de alta velocidade. O projeto é realizado usando o pacote de software ISE (Integrated Software Environment) executado em um PC ou estação de trabalho: ISE BaseX, ISE Foundation, ISE Alliance. Os chips da série Virtex são produzidos com normas topológicas de 0,22-0,15 mícrons e metalização multicamada. Todos os microcircuitos da série são 100% testados na fábrica.

Vamos dar uma olhada nas principais famílias de microcircuitos incluídos na série Virtex.

Família Virtex - a quarta geração de chips FPGA após o lançamento em 1984 do primeiro FPGA deste tipo. Pela primeira vez, os microcircuitos FPGA da família permitiram implementar não apenas funções lógicas comuns, mas também operações que ainda são executadas por produtos especializados separados. Com o advento da família Virtex, os FPGAs passaram da categoria de circuitos lógicos de interconexão para a categoria de dispositivos programáveis ​​que servem como centro dos sistemas digitais.

As principais características da família Virtex de FPGAs: alto desempenho (até 200 MHz), grande capacidade lógica (50 mil-1 milhão de portas do sistema), tensão de alimentação do núcleo 2,5 V, compatibilidade com barramento PCI de 66 MHz, suporte para "hot swap " para Compact PCI (Tabela 1). Os chips da família suportam 16 padrões de E/S de alto desempenho, incluindo LVTTL, LVCMOS2, PCI33, PCI66, GTL/GTL+, SSTL, HSTL, AGP e CTT, bem como conexão direta com dispositivos KZBTRAM. Os circuitos de controle de clock integrados incluem quatro módulos DLL-Delay-Loop Loop integrados e quatro redes de distribuição de clock de área ampla com transições de borda baixa mais 24 redes de clock locais. Cada bloco de memória integrada é configurado como RAM síncrona de porta dupla de 4Kb (capacidade total máxima de 128Kb).

Tabela 1. Parâmetros de microcircuitos da família Virtex

Os microcircuitos da família são fabricados de acordo com a tecnologia CMOS de 0,22 mícron com metalização de cinco camadas.

Família Virtex-E, lançado já em setembro de 1999, é comparável em suas características e propriedades aos ASICs especializados. Os chips FPGA da família são projetados para troca de dados e sistemas de processamento de sinais digitais. Comparados aos microcircuitos da primeira família, eles são caracterizados por maior desempenho (frequência do sistema até 320 MHz) e maior capacidade lógica (mais de 2 milhões de portas do sistema, Tabela 2). Como a família anterior, a tecnologia SelectIO™ oferece suporte para vários padrões de E/S, incluindo, pela primeira vez, padrões de transmissão diferencial - LVDS, BLVDS, LVPECL. Os chips da família suportam PCI de 32/64 bits e 33/66 MHz. A tensão de alimentação do núcleo é de 1,8 V. O sistema de memória hierárquica de três níveis tem a mesma estrutura da família anterior. Mas a capacidade máxima da memória de bloco é aumentada em 8,75 vezes - até 1120 kbit. Há também interfaces rápidas para RAM externa de alto desempenho, como ZBTSRAM de 200 MHz e SDRAM DDR de 200 Mbps.
O surgimento da família de chips Virtex-E foi possibilitado pela transição da tecnologia CMOS de 0,22 µm com revestimento de cinco camadas para processos de 0,18 µm e revestimento de seis camadas.

Assim, nos microcircuitos desta família, em comparação com o Virtex, são aumentados:

• capacidade lógica equivalente (três vezes);
• número de padrões de E/S suportados (de 17 a 20);
• o número máximo de contatos de entrada-saída do usuário (em 1,5 vezes, de 512 a 804);
• desempenho das unidades de I/O (1,5 vezes - de 200 a 320 MHz);
• número de módulos de auto-ajuste de latência integrados - módulos DLL (duas vezes - de quatro a oito);
• número de blocos de E/S do usuário (até 560).

Tabela 2. Parâmetros do Chip da Família Virtex-E

Muitos sistemas de imagem e rede de alto desempenho requerem grandes quantidades de RAM. Em resposta, a Xilinx lançou uma versão de memória maior da família Virtex-E no início de 2000, o Virtex-EM (XCV504E e XCV812E).

Tabela 3. Parâmetros de microchips com maior capacidade de memória de bloco da família Virtex-EM

Esses microcircuitos são uma plataforma eficiente e confiável para a construção de sistemas de comutação com taxa de transmissão de 160 Gbit / s (Tabela 3). A alta taxa de transferência foi alcançada aumentando o tamanho da memória do bloco de duas portas para 1 Mbit e usando duas camadas (distribuição de sinal de clock e superior) na metalização de seis camadas, feita com tecnologia de cobre.

Família Virtex II implementa uma nova ideologia para a formação de plataformas FPGA, que permite que FPGAs se tornem o principal componente de um dispositivo digital. Em um chip da família Virtex-ll, você pode criar um sistema digital complexo com capacidade lógica de até 8 milhões de portas do sistema. Ao mesmo tempo, em comparação com um circuito integrado personalizado com a mesma funcionalidade, o tempo de desenvolvimento é significativamente reduzido. A família Virtex-ll inclui 11 microcircuitos que diferem em capacidade lógica (Tabela 4).

Tabela 4. Principais parâmetros do FPGA da família Virtex-ll

A família é adequada para o projeto de uma ampla classe de sistemas de alto desempenho com baixo e alto grau de integração, como dispositivos de comunicação de dados e dispositivos de processamento digital de sinais. Os chips da família Virtex-ll implementam soluções completas na área de telecomunicações, sistemas de rede, comunicações sem fio, processamento digital de sinais utilizando interfaces com PCI, LVDS e DDR. Um exemplo dessas soluções é a implementação dos processadores PowerPC 405 e MicroBlaze. A tecnologia CMOS utilizada para a produção de microcircuitos com normas topológicas de 0,12-0,15 mícrons e oito camadas de metalização possibilita a execução de projetos com alta velocidade e baixo consumo de energia.

A capacidade lógica dos microcircuitos da família Virtex-ll é de 40 mil a 8 milhões de portas do sistema em um chip, a frequência do clock interno excede 400 MHz, a taxa de troca de dados é superior a 840 Mbps por um pino de entrada-saída. A quantidade de memória distribuída chega a 1,5 Mbit, a memória interna, implementada em blocos de RAM dual-port com capacidade de 18 kbit cada, é de 3 Mbit. São fornecidas interfaces para módulos de memória externa, como DDR-SDRAM, QDR™-SRAM e Sigma RAM.

Os microcircuitos da família contêm blocos multiplicadores 18x18 bits, até 93184 registradores/latches com habilitação de clock e reset e set síncrono/assíncrono, e 93184 geradores de função (4-LUTs). O controle de temporização é fornecido por até 12 módulos de controle de temporização (DCMs) e 16 multiplexadores de clock globais. Fornece ajuste fino de bordas de clock, multiplicação de frequência, divisão de frequência, mudança de fase de alta resolução e proteção EMI.

A tecnologia Active Interconnect utilizada permite obter uma estrutura de roteamento segmentada de quarta geração com atrasos previsíveis que não dependem do fator de fanout de saída.

Até 1108 blocos de E/S programáveis ​​pelo usuário, 19 padrões de E/S de pólo único e seis diferenciais suportam a maioria dos padrões de sinal digital. Os registradores de entrada e saída de taxa de dados dupla integrados fornecem sinalização LVDS a 840 Mbps. Capacidade de corrente programável - 2-24 mA por saída.

A impedância de cada bloco de E/S é programável. Os chips Virtex-ll são compatíveis com barramentos PCI-133/66/33 MHz. Existem cinco modos de carregamento de configuração. A criptografia da seqüência de configuração é realizada de acordo com o padrão TRIPLE DES, suporte de configuração - de acordo com o padrão IEEE 1532. A reconfiguração parcial é possível. A tensão de alimentação do núcleo de cristal é de 1,5 V, os blocos de E / S - 1,5-3,3 V, dependendo do padrão de sinal programado.

Os chips são fabricados com tecnologia CMOS com padrões de projeto de 0,15 µm (o comprimento do canal dos transistores de alta velocidade é de 0,12 µm) e oito camadas de metalização.

Família Virtex-ll Pro é projetado para criar sistemas baseados em núcleos IP inteligentes e módulos parametrizáveis ​​personalizados. Os microcircuitos da família são otimizados para a implementação de soluções completas na área de telecomunicações, comunicações sem fio, redes, vídeo e processamento digital de sinais. Pela primeira vez, a arquitetura do chip apresenta transceptores multi-bit RocketIO e núcleos de processador PowerPC. São fabricados com tecnologia CMOS com norma topológica de 0,13 mícrons e uma metalização de cobre de nove camadas, o que possibilitou a redução do tamanho do cristal e do consumo de energia em relação aos chips da série anterior.

Tabela 5. Principais parâmetros do FPGA da família Virtex-ll Pro

A arquitetura das matrizes Virtex-ll e Virtex-ll Pro é a mesma. A maioria das características técnicas também coincidem (Tabela 5). As diferenças entre os chips das duas famílias são as seguintes:

• valor limite inferior da tensão de alimentação periférica: 2,5 V vs. 3,3 V para a série Virtex-ll;
• maior desempenho do Virtex-ll Pro;
• diferente pinagem e sequência de configuração, embora projetos feitos em chips da série Virtex-ll possam ser transferidos para chips Virtex-ll Pro;

A série Virtex-ll Pro é a primeira família FPGA de FPGAs a apresentar transceptores RocketIO incorporados e núcleos de processador PPC405.

O RocketIO é um transceptor serial full duplex (SERDES) que suporta conexões de 2 a 24 canais com larguras de banda de 622 Mbps a 3,125 Gbps. Taxa de transferência de dados bidirecional -120 GB / s. Em cada canal, é possível um loop de feedback interno. O transceptor possui recursos como geração e recuperação de relógio (CDR) integrada, equalização de frequência por inserção/exclusão de caracteres, delimitação de vírgula programável, interface interna de 8, 16 ou 32 bits, codificador de 8/10 bits, e decodificador. O RocketIO é compatível com protocolos de transmissão Fibre Channel, Gigabit Ethernet, 10 Gb Attachment Unit Interface (XAUI) e transceptores de banda larga. As terminações do receptor/transmissor interno configuráveis ​​pelo usuário são de 50/75 ohms. Cinco níveis de tensão diferencial de saída são fornecidos, quatro níveis de pré-ênfase são selecionáveis. Tensão de alimentação do transceptor 2,5 V.

A unidade de processador PowerPC é um núcleo incorporado com uma frequência de clock de até 400 MHz com uma arquitetura Harvard, um caminho de transmissão de dados em pipeline de cinco estágios e multiplicação/divisão de hardware. O bloco também contém trinta e dois registradores de uso geral de 32 bits, instruções bidirecionais associativas e caches de dados com capacidade de 16 Kb cada, um bloco de gerenciamento de memória, Translation Look Aside Buffers (TLBs) de 64 entradas, um interface de memória. Os tamanhos de página podem variar de 1K a 16 Mbps. Há um temporizador embutido. A unidade de processador suporta a arquitetura de barramento do IBM CoreConnect, operações de depuração e rastreio. Seu consumo de energia é baixo: 0,9 mW/MHz.

O FPGA da série Virtex baseado em tecnologia industrial avançada, com alto desempenho e eficiência de custo, é um dos principais tipos de circuitos lógicos programáveis ​​utilizados por desenvolvedores em todo o mundo. E desde seu lançamento em março de 2002, a Xilinx já vendeu mais de 100 núcleos PowerPC baseados em chips Virtex-ll Pro FPGA.

Autor: M. Kuzelin; Publicação: cxem.net

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