СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №3/2013

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ В конце 1990 х годов основной ли нейкой FPGA компании Xilinx была серия XC4000 (семейства XC4000E, XC4000XL и XC4000XLA). Архитектура XC4000 оказалась довольно удачной, однако в ряде проектов возможности стандартной логической ячейкиПЛИС использовались далеко не полностью. Возникла естественная альтернатива: дорогие устройства с максимальной производительностьюи полнымнабо ром функциональных возможностей и дешёвые ПЛИС, обеспечивающие ба зовые функции, достаточные для боль шинства типовых проектов. В резуль тате в номенклатуре изделий компа нииXilinx появились различные серии FPGA, соответствующие этим направ лениям. Стандартное недорогое реше ние предоставляла серия Spartan, на смену которой пришли серии Artix (минимальная стоимость) и Kintex (умеренная стоимость при высокой производительности в задачах ЦОС). Наилучшие технические характерис тики обеспечивала серия Virtex. На данный момент компания предлагает семейства ПЛИС серии 7 – Artix 7, Kin tex 7 и Virtex 7. На рисунке 2 представ лено соответствие поколений микро схем FPGA компании Xilinx техноло гическим процессам. Отдельной разновидностью микро схемПЛИС, анонсированных в 2011 г., являются микросхемы класса All Pro grammable SoC (полностью програм мируемые системы на кристалле). На чиная с семейства Zynq 7000, они со держат процессорное ядро ARM и матрицу программируемых логичес ких ячеек, аналогичных используемым в семействах Artix или Kintex. Характеристики современных мик росхем FPGA в большой степени опре деляются дополнительными аппарат ными блоками. Довольно часто блоки памяти и аппаратные умножители неэффективны при их реализации с помощью стандартных ячеек, а вы сокоскоростные приёмопередатчики просто нереализуемы. Поэтому на кристаллах FPGA серии 7 в большом количестве размещены специализиро ванные аппаратные блоки, в их числе: ● блочная память BRAM в виде блоков по 36 Кбит; ● секцииЦОС (DSP48E1) –блокиМАСС, выполняющие умножение 18 и 25 битного операнда с накоплениемре зультата в 48 битном аккумуляторе; ● высокоскоростные последователь ные приёмопередатчики; ● контроллеры шины PCI Express; ● блоки XADC (сдвоенные 12 разряд ные АЦП). В таблице 1 приведены сводные ха рактеристики трёх новых семейств [1]. Семейство Zynq 7000 состоит из четы рёх микросхем, имеющих процессор ную подсистему на основе двухъядер ного процессора ARM. Основные ха рактеристики ядра ARM в составе Zynq 7000: ● сдвоенное ядро Cortex A9 с тактовой частотой 667/773/800/1000 МГц (в зависимости от группы); ● расширения ядра NEON с плаваю щей точкой одинарной и двойной точности; ● кэш память первого уровня включа ет 32 Кб инструкций и 32 Кб данных на каждое ядро; ● разделяемая кэш память второго уровня 512 Кб; ● поддержка внешней памяти DDR2, DDR3 и LPDDR2; ● 8 каналов ПДП; ● по два порта USB 2.0 (OTG) и трёх режимного (10/100/1000) Etnernet c ПДП; ● по два порта SD/SDIO с ПДП, UART, CAN 2.0B, I 2 C и SPI; ● 32 битный порт GPIO; ● шифрование AES и SHA (до 256 бит); ● 54 мультиплексируемых линий па мяти и ввода вывода; ● интерфейсы к программируемым ресурсам: два 32 битных AXI Mas ter, два 32 битных AXI Slave, четыре 64/32 битных AXI 64/32, 64 битный AXI ACP; ● 16 линий прерываний. Характеристики программируемой логики ПЛИС Zynq 7000 приведены в таблице 2. Микросхемы Zynq 7010 и Zynq 7020 выполненына базе програм мируемых ресурсов семейства Artix, а Zynq 7030 и Zynq 7045 – на базе Kin tex. Это отражается на пиковой произ водительности подсистемыцифровой обработки сигналов – вмладшихПЛИС тактовая частота блока ниже. Кроме то го, в Zynq 7030 и Zynq 7045 отсутству ют блоки PCI Express и высокоскорост ные приёмопередатчики. Несмотря на схожесть языков опи сания аппаратуры и языков програм мирования, разработка систем на базе FPGA существенно отличается от про ектирования программных продуктов и по сути является сферой деятельнос ти специалистов в области проектиро вания цифровой электроники. Кроме того, не следует рассматривать микро схемы FPGA как стандартные наборы однотипных базовых компонентов, 21 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2013 Virtex-7 Virtex-6 Virtex-5 Virtex-4 Virtex (производи- тельные) Kintex-7 – – – Kintex Artix-7 Spartan-6 – Spartan-3 Spartan/Artix (дешёвые) 28 нм 40/45 нм 65 нм 90 нм Техпроцесс Рис. 2. Диаграмма соответствия поколений микросхем FPGA компании Xilinx технологическим процессам Таблица 1. Сводные характеристики семейств микросхем FPGA серии 7 компании Xilinx Параметр/максимальное значение Artix 7 Kintex 7 Virtex 7 Количество логических ячеек, тыс. шт. 215 480 1955 Объём блочной памяти, Мб 13 34 65 Количество секций ЦОС 740 1920 3600 Пиковая производительность цифровой обработки сигналов для фильтров с симметричными коэффициентами, GMAC/c 930 2845 5335 Количество приёмопередатчиков 16 32 96 Скорость передачи, Гб/с 6,6 12,5 28,05 Пиковая пропускная способность приёмопередатчиков, Гб/с 211 800 2784 Количество интерфейсов PCI Express Gen2 × 4 Gen2 × 8 Gen3 × 8 Скорость обмена по интерфейсам памяти, Мб/c 1066 2133 2133 Число внешних выводов 500 500 1200