Реферат: ПЛИС Xilinx семейства Virtex™

 

4.3.5.  Буферы с тремя состояниями

Каждый КЛБ Virtex содержит два буфера с тремя состояниями, кото­рые нагружены на внутренние шины (см. также п. 4.4.4 «Специальные трассировочные ресурсы»). Каждый буфер BUFT имеет независимый вход управления с третьим состоянием и независимый входной контакт.

4.3.6.  Блочная память (Block RAM)

В FPGA Virtex встроена особая блочная память (Block Select RAM) большой емкости. Она создана в дополнение к распределенной памяти не­большой емкости (Select RAM), реализованной на таблицах преобразова­ния (Look Up Table RAM — LUTRAM).

Блоки памяти Block Select RAM+ организованы в виде столбцов. Все устройства Virtex содержат два таких столбца, по одному вдоль каждой вертикальной стороны кристалла. Эти колонки увеличивают полный раз­мер кристалла. Каждый блок памяти равен по высоте четырем КЛБ, таким образом, микросхема Virtex, имеющая 64 КЛБ по высоте, содержит 1-6 бло­ков памяти на колонку и 32 блока памяти в целом. В Табл. 5 приводятся ем­кости блочной памяти для различных кристаллов Virtex.

Таблица 5. Емкость блочной памяти.

Кристалл Virtex	Число блоков	Общий объем блочной памяти [бит]
XCV50	8	32 768
XCV100	10	40 960
XCV150	12	49 152
XCV200	14	57 344
XCV300	16	65 536
XCV400	20	81 920
XCV600	24	98 304
XCV800	28	114 688
XCV1000	32	131 072

Каждый блок памяти, как показано на Рис. 6, это полностью синхронное двухпортовое ОЗУ с независимым управлением для каждого порта. Размер­ность шины данных для обоих портов может быть сконфигурирована незави­симо, что позволяет создавать преобразователи размерности шины. В Табл. 6 показаны возможные соотношения размерностей шин данных и адреса.

В кристаллах Virtex созданы специальные трассировочные ресурсы для связи блочной памяти с блоками КЛБ и другими блоками памяти.

Таблица 6. Соотношение шин адреса и данных

Разрядность	Глубина	Шина адреса	Шина данных
1	4096	ADDR<11:0>	DATA<0>
2	2048	ADDR<10:0>	DATA<1:0>
4	1024	ADDR<9:0>	DATA<3:0>
8	512	ADDR<8:0>	DATA<7:0>
16	256	ADDR<7:0>	DATA<15:0>

4.4. Программируемая трассировочная матрица

Быстродействие проекта, рассчитанного для наихудшего случая, огра­ничивает величина задержки для наиболее длинной трассы. Поэтому архи­тектура трассировочных ресурсов и программы размещения и трассиров­ки создавались с учетом использования их в едином процессе оптимиза­ции. Этот совместный процесс оптимизации минимизирует наиболее длинные пути и, таким образом, создает проект с наилучшей системной производительностью.

Кроме того, совместная оптимизация сокращает время компиляции, так как программное обеспечение и архитектура микросхемы создавались с учетом на­илучшего взаимодействия. Циклы проектирования, таким образом, сократи­лись благодаря более коротким временам каждой из итераций всего процесса.

4.4.1. Локальные связи

Как показано на Рис. 7, в кристалле Virtex созданы локальные трасси­ровочные ресурсы, называемые VersaBlock. Они позволяют реализовать три типа соединений:

1.    Связи между таблицами преобразования (LUT), триггерами и глав­ной трассировочной матрицей (ГТМ).

2.          Внутренние обратные связи КЛБ, которые создают высокоскорост­ные связи с таблицами преобразования в рамках одного КЛБ и позволяют соединять их в виде цепочек с минимальными задержками распростране­ния сигналов.

3.          Прямые трассы, которые создают высокоскоростные соединения с соседними по горизонтали КЛБ, избегая при этом больших задержек, при­сущих трассам ГТМ.

4.4.2. Трассировочные ресурсы общего назначения

Большинство связей в кристаллах Virtex реализуются с помощью трас­сировочных ресурсов общего назначения, и, следовательно, большая часть ресурсов межсоединений связана с этим типом трассировочной иерархии. Трассировочные ресурсы общего назначения расположены в виде горизон­тальных и вертикальных трассировочных каналов и размещены в непосредственной близости от строк и столбцов матрицы, образованной блока­ми КЛБ. Ниже перечислены эти ресурсы:

• Примыкающая к каждому КЛБ главная трассировочная матрица (ГТМ) — это матрица переключателей, с помощью которых комму­тируются горизонтальные и вертикальные трассы и посредством кото­рых блоки КЛБ получают доступ к трассировочным ресурсам общего назначения.

• ГТМ связана в каждом из четырех направлений с соседней ГТМ посредством 24 трасс одинарной длины.

• 96 буферизованных НЕХ-линий трассируют сигналы ГТМ к шести другим ГТМ в каждом из четырех направлений. НЕХ-линии органи­зованы в виде зигзагообразных линий. НЕХ-линии могут подклю­чаться к источникам сигнала только в своих конечных точках или се­рединных (три блока от источника). Одна третья часть НЕХ-линий является двунаправленными, в то время как остальные — однона­правленные.

• 12 длинных линий являются буферизированными, двунаправленными линиями, распространяющими сигналы в микросхеме быстро и эф­фективно. Вертикальные длинные линии имеют протяженность, равную полной высоте кристалла, а горизонтальные длинные линии — полной ширине.

4.4.3.  Трассировочные ресурсы для блоков ввода-вывода

Кристалл Virtex имеет дополнительные трассировочные ресурсы, располо­женные по периферии всей микросхемы. Эти трассировочные ресурсы форми­руют добавочный интерфейс между КЛБ и БВВ. Эти дополнительные ресурсы, называемые VersaRing, улучшают возможности закрепления сигналов за кон­тактами и переназначения уже сделанного закрепления, если это требование на­кладывается расположением сигналов на печатной плате. При этом сокращает­ся время изготовления всего проекта, т. к. изготовление и проектирование печат­ной платы можно выполнять одновременно с проектированием FPGA.

4.4.4.  Специальные трассировочные ресурсы

Некоторые классы сигналов требуют наличия специальных трассиро­вочных ресурсов для получения максимального быстродействия. В уст­ройстве Virtex специальные трассировочные ресурсы создавались для двух классов сигналов:

• Горизонтальные трассировочные ресурсы создавались для реализа­ции микросхеме шин с тремя состояниями. Четыре разделенные ли­нии шин реализованы для каждой строки КЛБ, позволяя организовы­вать сразу несколько шин в пределах одной строки (Рис. 8).

• Две специальные линии для распространения сигналов быстрого пе­реноса к прилегающему КЛБ в вертикальном направлении.

4.4.5. Глобальные трассировочные ресурсы

Глобальные трассировочные ресурсы распределяют тактовые сигналы и другие сигналы с большим коэффициентом разветвления по выходу на всем пространстве кристалла. Кристалл Virtex имеет два типа глобальных трасси­ровочных ресурсовтназываемых соответственно первичными и вторичными:

• Первичные глобальные трассировочные ресурсы представляют со­бой четыре специальные глобальные сети со специально выделенными входными контактами и связанными с ними глобальными буферами, спроектированными для распределения сигналов синхронизации с высоким коэффициентом разветвления и с минимальными разбегами фронтов. Каждая такая сеть может быть нагружена на входы синхро­низации всех КЛБ, БВВ и Block RAM — блоков микросхемы. Исто­чниками сигналов для этих сетей могут быть только глобальные бу­феры. Всего имеется четыре глобальных буфера — по одному для каждой глобальной сети.

•  Вторичные глобальные трассировочные ресурсы состоят из 24 маги­стральных линий, 12 — вдоль верхней стороны кристалла и 12 — вдоль нижней.  По этим связям может быть распространено до 12 уникальных сигналов на колонку по 12 длинным линиям данной колонки. Вторичные ресурсы являются более 'гибкими, чем пер­вичные, т.к. эти сигналы, в отличие от первичных, могут трассиро­ваться не только до входов синхронизации.

4.5. Распределение сигналов синхронизации

Как было описано выше, Virtex имеет высокоскоростные, с малыми ис­кажениями трассировочные ресурсы для распределения сигналов синхро­низации на всем пространстве микросхемы. Типичное распределение це­пей синхронизации показано на Рис. 9.

В микросхему встроено четыре глобальных буфера, два — в середине верхней части микросхемы, два — в середине нижней части. Эти буферы через первичные глобальные сети могут подводить сигналы синхрониза­ции на любой тактовый вход.

Для каждого глобального буфера имеется соответствующий, примыка­ющий к нему контакт микросхемы. Сигнал на вход глобального буфера мо­жет подаваться как с этих контактов, так и от сигналов, трассируемых ре­сурсами общего назначения.

4.5.1. Модули автоподстройки задержки (DLL)

Полностью цифровая автоподстройка задержки (DLL), связанная с каждым глобальным буфером, может устранять перекос задержек между синхросигналом на входном контакте микросхемы и сигналами на тактовых входах внутренних схем устройства. Каждая DLL может быть нагружена на две глобальные цепи синхронизации. Схема DLL отслеживает сиг­нал синхронизации на входном контакте микросхемы и тактовый сигнал, распределяемый внутри кристалла, затем автоматически устанавливает необходимую задержку. Дополнительная задержка вводится таким обра­зом, что фронты сигналов синхронизации достигают внутренних тригге­ров в точности на один период синхронизации позже их прихода на вход­ной контакт. Эта система с обратной связью эффективно устраняет за­держку распределения сигналов синхронизации, гарантируя, что фронты синхросигналов на входе микросхемы и на внутренних тактовых входах с большой точностью синхронны.

Вдобавок, для устранения задержек, возникающих при распределении тактовых сигналов, DLL создает новые возможности управления функци­ями синхронизации. Модуль DLL может создавать четыре квадратурные фазы из исходного источника синхросигнала; удваивать частоту синхро­сигнала или делить эту частоту на 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 8 или 16.

Модуль DLL также функционирует как тактовое зеркало. Путем выво­да из микросхемы сигнала с выхода DLL и последующего ввода этого сиг­нала снова внутрь кристалла, схема DLL может устранить разбег фаз для тактовых сигналов на уровне печатной платы, при работе с несколькими устройствами Virtex.

Чтобы гарантировать, что системная синхронизация будет нормально функционировать до момента окончания конфигурирования системы и на­чала штатной работы, схема DLL имеет возможность задерживать процесс конфигурирования до нормальной синхронизации с системой.

4.6. Периферийное сканирование (ПС)

Микросхемы Virtex поддерживают команды периферийного сканирова­ния, приведенные в спецификации стандарта IEЕЕ 1149.1. Порт Test Access Port (TAP) и регистры реализованы для выполнения команд Extest, INTEST, Sample/Preload, Bypass, IDCODE, USERCODE и HIGHZ. Кроме того, порт ТАР поддерживает две внутренние сканирующие цепочки и поз­воляет загрузить/считать конфигурацию кристалла.

Порт ТАР использует предопределенные контакты микросхемы и LVTTL уровни сигналов. Для того чтобы выход TDO выдавал сигналы на уровнях LVTTL, на контакт  второго банка должно быть подано на­пряжение 3.3 В. В противном случае напряжение на выходе ТDО будет ме­няться в пределах от нуля до .

Операции периферийного сканирования не зависят от конкретных кон­фигураций блоков ввода-вывода и типа корпуса. Все блоки ввода-вывода, включая неподключенные к контактам, рассматриваются как независимые двунаправленные контакты с тремя состояниями, в единой цепочке скани­рования. Сохранение возможности осуществлять двунаправленное тести­рование после конфигурирования облегчает тестирование внешних меж­соединений.

В Табл. 7 приведены команды периферийного сканирования, поддержи­ваемые кристаллами Virtex. Внутренние сигналы могут быть проанализи­рованы в процессе выполнения команды Extest посредством подключения их к неиспользуемым выходам блоков ввода-вывода, либо к блокам ввода-вывода, не присоединенным к контактам. Они могут быть также подсоеди­нены к неиспользуемым выходам блоков ввода-вывода, которые определе­ны как однонаправленные входные контакты.

Таблица 7. Инструкции периферийного сканирования

Команда	Двоичный код	Описание
EXTEST	00000	Разрешает операцию периферийного сканирования EXTEST
SAMPLE/PRELOAD	00001	Разрешает операцию периферийного сканирования SAMPLE/PRELOAD
USER1	00010	Доступ к определенному пользователем регистру 1
USER2	00011	Доступ к определенному пользователем регистру 2
CFG_OUT	00100	Доступ к конфигурационной шине для операций считывания
CFG_IN	00101	Доступ к конфигурационной шине для операций записи
INTEST	00111	Разрешает операцию периферийного сканирования INTEST
USERCODE	01000	Разрешает считывание пользовательского кода
IDCODE	01001	Разрешает считывание ID кода
HIGHZ	01010	Переводит выходы в третье состояние во время операции BYPASS
JSTART	01100	Активизирует вход TCK порта TAP
BYPASS	11111	Разрешает BYPASS
RESERVED	Любой другой	Зарезервированные инструкции

До конфигурации кристалла доступны все команды кроме USER1 и USER2. После конфигурации кристалла доступны все команды без исклю­чения. Во время конфигурации не рекомендуется использовать команды Extest, INtest и Sample/Preload.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6